Технология конструкционных и эксплуатационных материалов

Министерство образования и науки Российской Федерации
ФГБОУ ВПО «Тульский государственный педагогический университет
им. Л.Н. Толстого»
ФГБОУ ВО «Тульский государственный университет»
Институт высокоточных систем им. В.П. Грязева
ФГБОУ ВО «Санкт-Петербургский политехнический университет
им. Петра Великого»
Научно-производственное объединение «ВУЛКАН-ТМ»
Институт металлургии и материаловедения им. А.А. Байкова РАН
Академия проблем качества Российской Федерации
Технология конструкционных
и эксплуатационных
материалов
Учебник
ТУЛА 2016
УДК 621.7
ББК 30.3
Т 38
Рецензенты: Гадалов В.Н., проф., д-р техн. наук, Юго-Западный государственный университет;
Епархин О.М., проф., д-р техн. наук, директор, Ярославский
филиал Московского государственного университета путей сообщения.
Авторы: А.Е. Гвоздев, Н.Е. Стариков, В.И. Золотухин, Н.Н. Сергеев, А.Н. Сергеев,
А.Д. Бреки
Т38 Технология конструкционных и эксплуатационных материалов: учебник / под ред. проф.
А.Е. Гвоздева. Тула: Изд-во ТулГУ, 2016. 351 с.
ISBN 978-5-7679-3405-8
Рассмотрены технологии производства чугуна, стали и цветных металлов (меди, алюминия, магния, титана), получения из них заготовок методами литья, обработки давлением,
порошковой металлургии, сварки, пайки, склеивания, резанием, сверхпластическим деформированием, лучевым, лазерным, элекрохимическим, электрофизическим воздействием.
Приведены примеры ресурсосберегающих, инновационных, конкурентоспособных и технологических разработок процессов внепечной обработки металлических расплавов и современных сталеразливочных систем, применяемых на промышленных предприятиях. Показаны
перспективы развития наноматериалов и технологии их применения в народном хозяйстве и
профессиональном образовании. Рассмотрены технологии современных эксплуатационных
композиционных материалов триботехнического назначения.
Предназначено для студентов, обучающихся по направлению 43.03.05 Педагогическое
образование (бакалавр), профили «Технология» и «Экономика», и будет способствовать получению системы знаний, умений, навыков и специальных компетенций в области технологической подготовки. Учебник может использоваться студентами других направлений и
профилей подготовки.
Работа выполнена по научной теме №1840 в сфере научной деятельности в рамках базовой части государственного задания.
УДК 621.7
ББК 30.3
ISBN 978-5-7679-3405-8
© Авторы, 2016
© ТГПУ им. Л.Н.Толстого, 2016
© Издательство ТулГУ, 2016
СОДЕРЖАНИЕ
Введение ...................................................................................................................... 6
1 Технологии металлургического производства................................................. 8
1.1 Структура и продукция металлургического производства ........................... 8
1.2 Производство чугуна ........................................................................................ 9
1.3 Производство стали......................................................................................... 12
1.4 Основы внепечной обработки металлических расплавов ........................... 15
1.5 Современные сталеразливочные системы .................................................... 18
1.6 Особенности производства цветных металлов ............................................ 23
2 Технологии литейного производства ............................................................... 26
2.1 Сущность и основные способы литья ........................................................... 26
2.2 Литье в песчаные формы ................................................................................ 28
2.3 Оболочковое литье ..................................................................................... 31
2.4 Литье по выплавляемым моделям ......................................................... 32
2.5 Литье в кокиль ................................................................................................. 34
2.6 Литье под давлением....................................................................................... 35
2.7 Основные дефекты литья и их исправление ................................................ 37
3 Технологии обработки металлов давлением .................................................. 38
3.1 Сущность и основные способы ...................................................................... 38
3.2 Нагрев металла и нагревательные устройства ............................................. 40
3.3 Прокатка ........................................................................................................... 43
3.4 Волочение......................................................................................................... 48
3.5 Ковка ................................................................................................................. 50
3.6 Штамповка ....................................................................................................... 53
3.7 Ротационное обжатие...................................................................................... 60
4 Технологии порошковой металлургии ............................................................ 62
4.1 Технологии получения порошковых ............................................................. 64
быстрорежущих сталей ......................................................................................... 64
4.2 Технология получения и применение порошковой проволоки для
производства качественных сталей ..................................................................... 69
4.3 Конструкции и технологии изготовления .................................................... 70
порошковой проволоки ......................................................................................... 70
5 Технологии сварки, пайки и склеивания ........................................................ 78
5.1 История развития сварочного производства ................................................ 78
5.2 Физические основы сварки ............................................................................ 79
5.3 Классификация способов сварки ................................................................... 80
5.4 Типы сварных соединений ............................................................................. 81
5.5 Ручная электродуговая сварка открытой дугой ........................................... 82
3
5.6 Дуговая сварка под слоем флюса .................................................................. 85
5.7 Дуговая сварка в среде защитного газа ......................................................... 86
5.8 Электроконтактная сварка.............................................................................. 88
5.9 Оборудование и технология электродуговой сварки .................................. 91
5.10 Газовая сварка и резка металла .................................................................... 96
5.11 Оборудование и технология газовой сварки ............................................ 101
5.12 Пайка материалов ........................................................................................ 107
5.13 Склеивание материалов .............................................................................. 111
6 Технологии наноматериалов ........................................................................... 115
6.1 История развития .......................................................................................... 115
6.2 Структура наноматериалов .......................................................................... 119
6.3 Классификация наноматериалов ................................................................. 119
6.4 Методы получения наноматериалов ........................................................... 121
6.5 Свойства наноматериалов ............................................................................ 122
6.6 Высокая деформационная способность наноматериалов ......................... 124
6.7 Области применения наноматериалов ........................................................ 125
7 Технологии обработки металлов резанием ................................................... 135
7.1 Основы процесса резания металлов ............................................................ 135
7.2 Трение и деформация металла при резании ............................................... 141
7.3 Силы и тепловыделение в процессе резания .............................................. 146
7.4 Типы и геометрия резцов.............................................................................. 150
7.5 Точение и строгание...................................................................................... 154
7.6 Сверление, зенкерование и развертывание ................................................ 164
7.7 Фрезерование и протягивание ..................................................................... 173
7.8 Шлифование металлов .................................................................................. 182
8 Технологии сверхпластичности материалов ................................................ 195
8.1 Основные понятия, признаки и количественные оценки
сверхпластичности .............................................................................................. 195
8.2 Закономерности развития и условия проявления
сверхпластичности .............................................................................................. 198
8.3 Модели состояния сверхпластичности ....................................................... 202
8.4 Механизмы сверхпластичности ................................................................... 207
8.5 Объекты сверхпластичности ........................................................................ 211
8.6 Применение эффекта сверхпластичности .................................................. 218
9 Конструкция и принципы работы металлорежущих станков .................. 222
9.1 Основы устройства металлорежущих станков (МРС) .............................. 222
9.2 Токарно-винторезный станок....................................................................... 233
9.3 Сверлильные станки...................................................................................... 239
4
9.4 Фрезерные станки.......................................................................................... 246
9.5 Строгальные и шлифовальные станки ........................................................ 253
10 Технологии материалов триботехнического назначения ........................ 267
10.1 Композиционные материалы триботехнического назначения с
полимерными матрицами и наполнителями из высокодисперсных частиц
слоистых модификаторов трения ...................................................................... 267
10.2 Нефтяные масла триботехнического назначения: дисперсные
компоненты и наполнители ................................................................................ 287
10.3 Микробиологические повреждения масел, смазок и специальных
жидкостей ............................................................................................................. 307
11 Электрические и лучевые методы обработки ............................................ 311
11.1 Электрофизические методы обработки материалов................................ 312
11.2 Электрохимические методы обработки материалов ............................... 316
11.3 Лучевые методы обработки........................................................................ 327
11.4 Ультразвуковая обработка ......................................................................... 330
Список литературы............................................................................................... 333
Приложения ............................................................................................................ 347
5
ВВЕДЕНИЕ
В учебнике рассматриваются различные технологии конструкционных и
эксплуатационных материалов. Анализируются металлургические технологические процессы производства важнейших конструкционных материалов: стали
и чугуна, а также широко применяемых цветных металлов (меди, алюминия,
магния и титана) для машиностроительной, авиационной, ракетной, автомобильной, электротехнической и микроэлектронной промышленности, объём
выпуска которых составляет индустриальную, экономическую и оборонную
мощь любого государства.
Рассмотрены новые перспективные процессы внепечной обработки жидких металлических расплавов, которые обеспечивают получение металлов и
сплавов высокого качества. Проанализированы технологии обработки металлов
давлением (прокатка, ковка, штамповка, волочение, ротационное обжатие) и
литьем (в песчаные формы, под давлением, по выплавляемым моделям, в кокиль, в оболочковые формы) при получении поковок и отливок из деформируемых и литейных металлических материалов. Обсуждаются различные процессы сварки, пайки и склеивания, порошковой металлургии и обработки материалов резанием (точение, строгание, фрезерование, протягивание, сверление, зенкерование, развертывание, шлифование), электрические и лучевые методы обработки, технологии сверхпластического деформирования и различных копмозиционных материалов триботехнического назначения. Показаны перспективы
развития наноматериалов и области их применения в народном хозяйстве. Данные технологии являются основой производства изделий высокого качества и
их безотказной эксплуатации.
Анализируются конструкции новых разливочных систем и направления
их использования – разработки сотрудников научно-производственного предприятия «Вулкан-ТМ», которые внедрены на десятках передовых промышленных предприятий РФ. Приведено описание новых авторских конкурентоспособных решений, позволяющих получать металлические сплавы высокого ка6
чества с малыми экономическими затратами по сравнению с зарубежными аналогами. Предлагаемые технологии являются дальнейшим развитием отечественной металлургии, основанной славными представителями династии Демидовых, сделавших наш Тульский край родиной российской металлургии и
оружейного дела. Учебник позволяет развивать традиции патриотического воспитания молодёжи, основываясь на научных, технологических и профессиональных достижениях учёных, технологов и инженерных работников, педагогов, преподавателей и учителей.
7
1 ТЕХНОЛОГИИ МЕТАЛЛУРГИЧЕСКОГО ПРОИЗВОДСТВА
1.1 Структура и продукция металлургического производства
Металлы и сплавы на их основе являются основными конструкционными
материалами, основой современного машино- и приборостроения. Объем производства черных и цветных металлов и сплавов всегда является важнейшим
показателем уровня развития экономики, мощи и обороноспособности государства [6].
Металлургия – наука об извлечении металлов из природных соединений
(руд) и дальнейшей их переработке с целью придания металлу определенных
свойств.
Различают черную металлургию, занимающуюся производством железа
и его сплавов, и цветную – производство всех остальных металлов и их сплавов.
Металлургическое производство – сложная система производств, базирующихся на месторождении руд, коксующихся углей, энергетических комплексах.
Структура металлургического производства включает: шахты и карьеры
по добыче руд и каменных углей; горно-обогатительные комбинаты (ГОК), где
обогащают руды, подготовляя их к плавке; коксохимические заводы, где осуществляют подготовку углей, их коксование и извлечение из них полезных химических продуктов; энергетические цеха для получения сжатого воздуха и
кислорода, очистки металлургических газов; доменные цеха для выплавки чугуна и ферросплавов; сталеплавильные цеха (мартеновские, конвертерные,
электроплавильные) для производства стали; прокатные цеха для переработки
выплавленного металла в сортовой, трубный, листовой и специальный прокат.
Основная продукция черной металлургии: передельный (белый) чугун для
переработки на сталь; литейный (серый) чугун для получения фасонных отливок на машиностроительных заводах; ферросплавы (ферромарганец, ферросилиций, феррованадий и другие) для выплавки легированных сталей; стальные
слитки для производства проката; кузнечные слитки для изготовления крупных
кованых валов, роторов турбин, дисков и т.п.
Продукция цветной металлургии: слитки (чушки) цветных металлов для
прокатки различных профилей; лигатуры – сплавы из цветных металлов для
получения легированных сплавов; слитки чистых и особо чистых металлов для
приборостроения, электронной техники и других отраслей.
Для производства чугуна, стали и цветных металлов используют руду,
флюсы, топливо и огнеупорные материалы.
Промышленной рудой называют горную породу, из которой на данном
уровне целесообразно извлекать металлы или их соединения. Например, в
настоящее время целесообразно извлекать металлы, если их содержание в руде
составляет: железа не менее 30–60 %, меди 1–6 %, молибдена 0,005–0,02 %.
8
Бедные руды обогащают на ГОКах, то есть удаляют из руды часть пустой
породы и получают концентрат с повышенным содержанием металла.
Флюсы – это материалы, загружаемые в плавильную печь для образования легкоплавкого соединения (сплавления) пустой породы, золы из топлива и
других веществ, которые нужно удалить из конечного продукта. Такое соединение называется шлаком. Обычно шлак легче металла, располагается в печи
сверху (всплывает) и может быть удален (слит) в процессе плавки. Шлак защищает расплавленный металл от контакта с воздухом и печными газами. Шлак
бывает кислым, если в его составе преобладают кислотные оксиды (SiO2; Р2О5)
и основным, если преобладают основные оксиды (CaO; MgO; FeO).
Топливом в металлургических печах служат кокс, природный газ, мазут,
печные газы. Кокс получают на коксохимических заводах путем сухой перегонки при температуре 10000С (без доступа воздуха) каменного угля специальных коксующихся сортов.
Огнеупорные материалы применяют для внутренней облицовки (футеровки) металлургических печей и ковшей для расплавленного металла. По химическим свойствам огнеупоры разделяют на кислые, основные и нейтральные.
Кислые огнеупоры содержат большое количество кремнезема SiO2 (динасовые,
кварцеглинистые, кварцевый песок). Основные огнеупоры содержат основные
оксиды CaO, MgO (магнезитовый, магнезитохромитовый кирпич). Нейтральные
огнеупоры состоят из оксидов Al2O3; Cr2O3 (шамотный кирпич, высокоглиноземный, углеродистые блоки из графита).
При высоких температурах футеровка печи взаимодействует с флюсами и
шлаками, поэтому в основной печи нельзя применять кислые флюсы и наоборот, в печи с кислой футеровкой – основные флюсы, так как это приведет к разрушению футеровки печи.
1.2 Производство чугуна
Для выплавки чугуна в доменных печах используют железные руды, топлива и флюсы.
Железные руды содержат железо в различных соединениях (чаще всего
оксидах и карбонатах): магнитный железняк Fe3O4 (50–70% Fe); красный железняк Fe2O3 (50–60% Fe); бурый железняк, содержащий гидраты оксидов железа Fe2O3·H2O (30–50% Fe); шпатовый железняк FeCO3 (30–50% Fe).
Топливом для доменной плавки служит кокс, позволяющий получить необходимую температуру и создать условия для восстановления железа из руды.
В целях экономии часть кокса заменяют природным газом, мазутом, пылевидным топливом.
Флюсом при доменной плавке служит известняк CaCO3. Это необходимо
для удаления серы и фосфора из металла, в который они переходят из кокса и
руды.
9
Сущность выплавки чугуна в доменных печах заключается в восстановлении оксидов железа, входящих в состав руды, оксидом углерода, водородом и
твердым углеродом, выделяющимися при сгорании топлива в печи.
Доменная печь (рисунок 1.1) имеет стальной кожух, выложенный внутри
шамотным кирпичом. Рабочее пространство печи включает колошник, шахту,
распар, заплечики, горн, лещадь. В верхней части колошника находится засыпной аппарат, через который в печь загружают шихту [6].
При работе печи шихта, проплавляясь, опускается вниз. В верхней части
горна находятся фурмы, через которые в печь поступает горячий воздух (дутье), необходимый для горения топлива.
Воздух нагревается (для уменьшения потерь тепла и снижения расхода
кокса) в воздухонагревателях за счет тепла отходящих из домны горячих газов.
Воздухонагревателей три: один подает горячий воздух в домну, второй в это
время сам нагревается, третий находится в резерве (или на ремонте). Периодически воздухонагреватели переключаются.
Вблизи фурм углерод кокса, взаимодействуя с кислородом дутья, сгорает.
В результате выделяется теплота и образуется газовый поток, содержащий CO,
CO2, N2, H2, CH4 и другие газы.
Горячие газы, поднимаясь навстречу опускающейся шихте, нагревают ее,
охлаждаясь у колошника до температуры 300–4000С (в районе фурм температура достигает 20000С). При нагреве шихты до температуры 5700С начинается
восстановление оксидов железа. По признаку убывания кислорода оксиды железа можно расположить в следующий ряд:
Fe2O3 → Fe3O4 → FeO → Fе.
Восстановление оксидов до чистого железа идет по следующим реакциям:
3Fe2O3 + CO → 2Fe3O4 + CO2;
Fe3O4 + CO → 3FeO + CO2;
FeO + CO → Fe + CO2.
Аналогично восстанавливаются марганец, кремний, фосфор, сера, содержащиеся в руде, топливе, флюсах, огнеупорах.
Часть серы благодаря основному флюсу переводится в шлак
FeS + CaO → CaS + FeO.
На уровне распара и заплечиков железо (точнее сплав железа с углеродом, марганцем, кремнием, фосфором, серой) расплавляется и каплями, протекая по кускам кокса и насыщаясь углеродом, стекает на лещадь печи. Шлак,
имея меньшую плотность, располагается сверху металла (всплывает).
Чугун выпускают через чугунную летку каждые 3–4 часа, а шлак через
шлаковую летку (она расположена выше чугунной) каждые 1–1,5 часа.
Основной продукцией доменной плавки является чугун (передельный или
литейный) разного химсостава (например, 4–4,5% С; 0,8–1,2% Si; 0,15–0,3% Р;
0,03–0,07% S), а также ферросплавы (ферросилиций, ферромарганец, феррохром, феррованадий и др.).
10
Побочные продукты доменного процесса – шлак (дорожное строительство, шлаковата, цемент, шлакоблочные изделия и пр.) и доменный газ (топливо для воздухонагревателей, для отопления и т.п.).
Доменная печь – агрегат непрерывного действия. Она с момента ввода в
эксплуатацию (задувки) работает непрерывно от 5–7 до 12-15 лет. В технической литературе описан случай, когда домна проработала непрерывно 38 лет.
При остановке печи на ремонт прекращают засыпку материалов. Оставшаяся шихта опускается вниз, верхняя часть печи, освобождаясь, сильно нагревается горячими газами. Для предохранения засыпных устройств от разрушения их необходимо интенсивно охлаждать.
Рисунок 1.1 – Устройство доменной печи: 1 – чугунная летка, 2 – горн,
3 – фурмы, 4 – заплечики, 5 – распар, 6 – шахта, 7 – колошник,
8 – засыпной аппарат, 9 – вагонетка подъемника, 10 – мост, 11 – лещадь,
12 – шлаковая летка, [6]
11
1.3 Производство стали
Сущность передела чугуна в сталь заключается в снижении содержания
углерода и примесей путем их избирательного окисления и перевода в шлак и
газы в процессе плавки.
Основными исходными материалами для производства стали служат передельный (белый) чугун и стальной лом (скрап). Сталь отличается от чугуна
значительно более низким содержанием углерода и примесей (таблица 1.1).
Таблица 1.1 – Химический состав чугуна и стали, %
Сплав
Передельный
чугун
Сталь марки
Ст.3
С
4–4,5
Si
0,8–1,2
Mn
до 1,75
P
0,15–0,3
S
0,3–0,7
0,14–0,22
0,12–0,3
0,4–0,65
0,05
0,05
Нагрев в процессе выплавки стали осуществляется двумя способами:
а) внешним теплом, вводимым в плавильное пространство печи (мартеновская, электропечь). Так можно перерабатывать жидкий и твердый чугун, а
также скрап в любом количестве;
б) химическим теплом, получаемым от реакции окисления примесей в чугуне (конвертеры). В этом случае чугун должен быть жидким, а количество
скрапа ограничено (не более 30% от массы загрузки агрегата).
Окислителем служат технически чистый кислород, продуваемый через
жидкую массу чугуна, а также железная руда и окалина.
Процесс может быть основным (достаточно полно удаляются сера и фосфор, но трудно раскислить сталь непосредственно в печи) или кислым (сталь
очень полно раскисляется, но сера и фосфор не удаляются). При использовании
основного процесса раскисление возможно только в ковше.
При окислении примесей кислородом выделяется большое количество
тепла, поэтому при продувке жидкого чугуна не только не нужно применять
внешние источники нагрева, а наоборот приходится охлаждать агрегаты во избежание перегрева.
Основные реакции окисления примесей:
2Fe + O2 = 2FeO + 264 кДж;
FeO + C = CO + Fe - 154 кДж;
2FeO + Si = SiO2 + 2Fe + 330 кДж;
5FeO + 2P = P2O5 + 5Fe + 226 кДж;
FeO + Mn = MnO + Fe + 123 кДж.
Нерастворимые соединения в зависимости от плотности будут переходить либо в шлак, либо в металл. Изменяя состав шлака можно добиться того,
что нежелательные примеси (например, вредные сера и фосфор) будут удалять12
ся из металла в шлак. Например, сера, входящая в сталь в виде сульфида FeS,
растворяется в основном шлаке:
FeS + CaO = CaS + FeO.
Таким образом, регулирование состава шлака с помощью флюсов является одним из основных путей управления металлургическим процессом.
Завершающим этапом выплавки стали является ее раскисление (восстановление железа из оксида FeO). Раскисление осуществляют введением в жидкую сталь раскислителей (ферромарганца, ферросилиция, алюминия) непосредственно в сталеплавильном агрегате (при использовании кислого процесса) и
(или) в ковше при разливке (в любом процессе). Сталь выпускают спокойной
или кипящей, иногда – полуспокойной. Готовую сталь разливают в изложницы.
В настоящее время сталь выплавляется в мартеновских печах, конвертерах и электропечах.
а)
13
б)
в)
Рисунок 1.2 – Сталеплавильные агрегаты:
а) мартеновская печь; б) кислородный конвертер;
в) дуговая электрическая печь
Мартеновская печь (рисунок 1.2, а) – пламенная отражательная регенеративная печь. Она имеет плавильное пространство, ограниченное сверху сводом,
снизу подом, с боков – стенками, имеющими загрузочные окна. Футеровка печи
может быть кислой или основной. В нашей стране работают мартеновские печи
вместимостью 200–900 тонн жидкой стали.
Отапливается печь газом (реже мазутом). Смесь газа и воздуха подогревается в регенераторах (их два – один нагревает смесь газа и воздуха, а второй –
нагревается сам отходящими газами) и поджигается, образуя факел. Факел имеет температуру 1700–18000С и нагревает футеровку печи и шихту, а также способствует окислению примесей шихты при плавке.
В зависимости от состава шихты, используемой при плавке различают:
1) скрап-процесс, при котором шихта состоит из стального лома (скрапа)
и твердого чушкового чугуна. Такой процесс применяют на заводах, где нет
доменного производства (нет жидкого чугуна), но много металлолома (то есть
на машиностроительных заводах);
2) скрап-рудный процесс, при котором шихта состоит из жидкого чугуна
(до 75%), скрапа и железной руды (для окисления примесей). Преимущественно он применяется на металлургических заводах.
Наибольшее количество стали производят в мартеновских печах с основной футеровкой скрап-рудным процессом.
Кислородный конвертер (рисунок 1.2, б) – это сосуд грушевидной формы
из стального листа, футерованный основным кирпичом. Вместимость конвертера 130–350 тонн жидкого чугуна. Конвертер в процессе работы может поворачиваться на цапфах вокруг горизонтальной оси для завалки скрапа, заливки
чугуна, слива стали и шлака. Шихта состоит из жидкого передельного чугуна,
14
стального лома (не более 30%), извести для наведения шлака, железной руды
для окисления, боксита (Al2O3) и плавикового шпата (CaF2) для разжижения
шлака.
Сначала конвертер наклоняют для завалки шихты, затем поворачивают в
вертикальное положение и, через охлаждаемую водой фурму, подают сверху
кислородное дутье. Струя кислорода (под давлением 1–1,5 МПа) вызывает перемешивание шихты и ее интенсивное окисление.
Когда содержание углерода и примесей достигает заданного значения,
подачу кислорода прекращают, конвертер наклоняют и выпускают сталь в разливочный ковш, где ее раскисляют. После этого сливают шлак.
Конвертирование стали самый производительный способ (плавка длится
25–50 мин), однако трудно получить сталь строго заданного состава.
Электросталь – самая лучшая по качеству, так как в электропечах можно
получить высокую температуру металла, создать окислительную, восстановительную, нейтральную атмосферу, вакуум, хорошо раскислить сталь. Поэтому
электропечи используют для получения высококачественных легированных,
инструментальных, специальных сталей и других сплавов. Из-за значительного
расхода электроэнергии сталь получается более дорогой, чем при использовании других способов.
Плавильные печи бывают дуговыми (рисунок 1.2, в) и индукционными.
Дуговая электропечь питается трехфазным током и имеет три электрода
из графитизированной массы. Между электродами и металлической шихтой
возникает электрическая дуга, теплота которой передается металлу и шлаку излучением. Рабочее напряжение 150–600 В, сила тока 1000–10000 А. Футеровка
печи – основная или кислая (реже).
В основной дуговой печи можно осуществить плавку двух видов:
а) без окисления примесей. По сути дела это переплав легированных отходов машиностроительных заводов. В ходе плавки удаляют вредные примеси,
доводят металл до требуемого химсостава; раскисляют;
б) плавка на углеродистой шихте с окислением примесей. В печь загружают шихту: стальной лом, чушковый чугун, известь. Электроды опускают и
включают ток; шихта плавится. Кислородом воздуха, оксидами шихты и окалины окисляются железо и примеси.
Оксид кальция из извести и оксиды железа образуют основной шлак, способствующий удалению фосфора и серы. После доведения металла до нужного
состава сливают шлак и подают раскислители и ферросплавы (для получения
легированной стали).
1.4 Основы внепечной обработки металлических расплавов
Ограниченные возможности регулирования физических и физикохимических условий протекания процессов плавки стали в сталеплавильных агрегатах, повышение требований к качеству стали, а также необходимость разработки технологии и производства стали принципиально нового качества при15
вели к созданию новых сталеплавильных процессов, соответствующих современному уровню развития техники. Одним из элементов таких технологий является внепечная обработка стали. Обеспечивая получение не только высокого, а в ряде случаев нового качества, но и повышение производительности сталеплавильных агрегатов, внепечная обработка стали начала особенно быстро
развиваться в 60-70-х годах и стала неотъемлемой частью сталеплавильного
производства. Внепечная обработка стали — промежуточный передел между
выплавкой стали и её разливкой — является относительно новым переделом и
обязан своим развитием и успехами в первую очередь достижениям физической
химии металлургических процессов и гидродинамики.
Внепечная обработка стали начала активно применяться с 60-х годов,
главным образом для повышения производительности дуговых сталеплавильных печей и конвертеров, позволяя вынести часть процессов рафинирования из
этих агрегатов в ковш. Однако уже начало внедрения современных процессов
внепечной обработки показало, что они позволяют существенно улучшить качество стали (механические свойства, коррозионную стойкость, электротехнические показатели и др.), и получить сталь с принципиально новыми свойствами. Повышение качества стали привело к росту работоспособности машин и
конструкций при уменьшении их массы. Другим важным фактором, обеспечившим этот результат, явилась возможность гарантированно получать сталь с
узкими пределами содержания элементов. Это позволило уменьшить коэффициент запаса прочности, учитываемый при проектировании, с обычных 1,5 – 3,0
до 1,2 – 1,4, то есть примерно в два раза при сохранении низкого качества стали, её однородности, низкого содержания включений.
Металлургические процессы, обеспечивающие получение указанных результатов, эффективнее протекают при внепечной обработке, чем в сталеплавильных печах благодаря ряду особенностей внеагрегатной обработки [1]:
а) создание наиболее благоприятных термодинамических условий для
развития данного процесса, в частности наводка шлака, обеспечивающего
наиболее глубокую десульфурацию; б) увеличение скорости взаимодействия с
газовой фазой или шлаком вследствие дробления металла на порции (капли) с
развитой контактной поверхностью; в) повышение интенсивности массопереноса в металле вследствие его дробления на порции (капли) и, следовательно,
увеличение градиента концентраций растворённых в нём элементов.
Результаты внепечной обработки определяются принятыми методами и
технологией, с помощью которых она осуществляется. Новые технологии обработки металла как в сталеплавильных печах, так и главным образом вне их,
привели к заметному увеличению масштабов производства стали и сплавов,
однородных по свойствам и содержащих ничтожно малое количество газов и
неметаллических включений. Связанное с этим усложнение технологии оправдывается достигаемыми результатами в отношении качества и надёжности металлопродукции.
Методы внепечной обработки стали могут быть условно разделены на
простые (обработка одним способом) и комбинированные (обработка металла
16
несколькими способами одновременно). К простым методам относятся: 1) обработка металла вакуумом; 2) продувка инертным газом; 3) обработка металла
синтетическим шлаком, жидкими и твёрдыми шлаковыми смесями; 4) введение
реагентов в глубь металла [1].
Основными недостатками перечисленных простых способов обработки
металла являются: а) необходимость перегрева жидкого металла в плавильном
агрегате для компенсации падения температуры металла при обработке в ковше; б) ограниченность воздействия на металл.
Лучшие результаты воздействия на качество металла достигаются при
использовании комбинированных или комплексных способов (рис. 1.3), когда в
одном или нескольких последовательно расположенных агрегатах осуществляется ряд операций.
Рис. 1.3 Технологическая схема комплексной
внепечной обработки металлов и сплавов
Выбор необходимого оборудования определяется той или иной технологией обработки металла. Несмотря на многоплановость задач, возникающих
при решении проблемы повышения качества металла методами вторичной металлургии, используемые при этом приёмы немногочисленны: а) интенсификация процессов взаимодействия металла с жидким шлаком или твёрдыми шлакообразующими материалами путём организации интенсивного перемешивания; б) интенсификация процессов газовыделения путём обработки металла вакуумом или продувкой инертным газом; в) интенсификация процессов взаимо17
действия с вводимыми в ванну материалами для раскисления и легирования
(подбор комплексных раскислителей оптимального состава, введение раскислителей в глубь металла в виде порошков, блоков, с помощью специальной
проволоки, искусственное перемешивание с целью облегчения условий удаления продуктов раскисления и т. д.).
1.5 Современные сталеразливочные системы
Системы разливки стали и сплавов комплектуются современными шиберными затворами линейного и поворотного типа с кассетной конструкцией
огнеупоров. Применение композитных материалов существенно повышает
стойкость огнеупорного комплекта и сокращает время обслуживания. Исключение вторичного окисления предполагает применение различных конструкций
устройств защиты, обеспечивающих наилучшее показатели даже без применения защитной трубы [2,3].
Под сталеразливочными системами следует принимать комплекс исполнительных и вспомогательных устройств, осуществляющих автоматическое дозирование расплавленного металла из технологических емкостей (ковши, печи,
конвертеры и др.) и обеспечивающих для выполнения данной функциональной
цели постоянный и плотный контакт рабочих поверхностей огнеупорных элементов, их самоустановку, своевременную замену расходуемых огнеупорных
частей.
Наиболее ответственными расходными комплектующими сталеразливочных систем являются огнеупорные элементы (рис. 1.4), имеющие различную
эксплуатационную стойкость в зависимости от физико-химического состава.
Рис. 1.4 Огнеупорный комплект
шиберного затвора:
1 – гнездовой блок, 2 – ковшевой стакан, 3 – шиберные плиты в обечайке, 4 –
стакан-коллектор в обечайке, 5 – уплотнительная вставка, 6 – защитная труба
Анализ эволюции развития сталеразливочных систем, позволяет сформулировать требования к шиберным затворам нового поколения:
– многоточечный пружинный механизм равномерного прижатия огнеупорных плит,
18
– увеличенная долговечность узлов и деталей системы,
– наличие системы фиксации огнеупорных плит,
– минимизация человеческого фактора при эксплуатации системы,
– быстрота и удобство замены огнеупоров.
Применение современных технических решений даёт возможность обеспечить достаточную равномерность приложения прижимного усилия на огнеупорные плиты, обеспечить их самоустановку, компенсировать циклические
температурные расширения и износ огнеупорных и металлических деталей затвора, снизить требования к точности изготовления деталей и узлов.
Определено, что требованиям, предъявляемым к шиберным системам последнего поколения соответствуют целый ряд современных моделей зарубежных производителей «Меtacon AG», «Vesuvius», «FloCon», «Interstop»,
«Knoellinger», «Uberzetta», «Sanac» и российского предприятия ООО НПП
«Вулкан - ТМ», представленные на рис.1.5 [7,9]. На Украине совместную разработку устройств для дозированного перелива жидкого металла в условиях
сталеплавильного производства ведут Донецкий национальный технический
университет (ДонНТУ) и НПО «ДОНИКС» [2].
Кассетный затвор с независимыми ползунами Vesuvius (Бельгия)
Кассетный затвор балансирного типа НПО
«ДОНИКС» (Украина)
Кассетный затвор системы LS,
Interstop (Швейцария)
Кассетный затвор серии «ВТ»,
рычажно – балансирный вариант,
НПП «Вулкан-ТМ» (Россия)
Рис. 1.5 Модели шиберных затворов, соответствующих
современным требованиям
С целью оптимизации затрат разработан типоразмерный ряд унифицированных двухплитных шиберных затворов серии ВТ и комплектов огнеупорных
19
изделий в металлических обечайках и бандажах, осуществляется серийная поставка более чем на 20 предприятий РФ и СНГ (Приложение 1).
Таблица 1 – Технические характеристики шиберных затворов серии ВТ
Марка
затвора
ВТ-30
Объем
Диаметр
ковша, т канала, мм
Область
применения
Мини- УНРС,
2-50
30-50
ВТ-50
30-150
до 70
ВТ60/80
160-250
45-80
литейные
производства
УНРС
УНРС
Оригинальным решением для мини-металлургических заводов и литейных производств является двухплитный шиберный затвор ВТ-30, отличающийся компактностью и простотой обслуживания, что позволяет использовать его
на ковшах ёмкостью до 30 т (рис. 1.6). Оригинальная схема поджатия плит с
опорными роликами, обеспечивает постоянное усилие прижима плит в точках,
равноудаленных от оси разливочного канала, восстановление усилия сжатия
между разливками, самоустановку плит.
Рис.1.6 Шиберный затвор ВТ-30
Наряду с вышеуказанными преимуществами к отличительным особенностям конструкции относятся:
– кассетная замена огнеупоров в металлических обечайках непосредственно
на ковше;
– усилие прижатия плит создается при взведении одного упругого элемента
пружинно-торсионного механизма прижима плит.
– ручной привод перемещения подвижной каретки, либо возможность установки гидро- или электропривода по требованию заказчика;
– простота в изготовлении, монтаже;
– пружинно-торсионный механизм прижима плит;
– контроль работоспособности затвора на ковше без разборки шибера.
20
Автовзведение прижимного механизма происходит при втягивании приводом направляющих подвижной каретки на опорные ролики независимых траверс.
Благодаря модульной конструкции, затворы серии ВТМ-30 адаптированы по обслуживанию и могут применяться на металлургических предприятиях
с различными условиями эксплуатации. Модульное исполнение шиберного затвора в сочетании с кассетным принципом использования огнеупоров позволяет производить замену огнеупорного комплекса без снятия затвора с ковша, отпадает необходимость в шиберной мастерской.
В настоящее время наиболее распространённым методом защиты металла от вторичного окисления является использование защитной трубы из огнеупорного материала, надеваемой на выступающий конец стакана-коллектора.
При этом струя металла находится внутри защитной трубы, не имея контакта с
воздухом. Использование защитной трубы не даёт 100 процентной защиты
струи от окисления в следствие негерметичности стыка стакана-коллектора и
защитной трубы. При таком способе защиты используют защитные трубы, оборудованные системой подачи аргона в зону сопряжения, с целью препятствия
проникновения кислорода внутрь защитной трубы (рис. 1.7). Благодаря инертным свойствам аргона, он не вступает в реакции с химическими элементами
потока металла и тем самым не оказывает вредного влияния на состав получаемого металла.
Рис. 1.7 Способ защиты струи металла от вторичного окисления
с использованием защитной трубы и подачей аргона в зону сопряжения
Совместное использование защитной трубы и аргоновой продувки
накладывает существенные ограничения на предельные отклонения геометрических размеров стыкующихся поверхностей огнеупоров, что требует ужесточения технологии их изготовления и, в свою очередь, сказывается на повышении себестоимости стаканов-коллекторов и защитных труб. Еще одним суще21
ственным недостатком данных систем защиты является невозможность использования в их составе огнеупорных элементов других производителей.
Другим способом защиты металла от вторичного окисления является
совместное использование защитной трубы и эластичного уплотнения из огнеупорного материала, устанавливаемого между стаканом-коллектором и защитной трубой. Огнеупорное уплотнение обеспечивает плотный контакт стыкуемых поверхностей огнеупоров, за счет эластичного состава, который принимает
форму сопряженных поверхностей, тем самым компенсируя отклонения их
формы и размеров. Многие производители огнеупоров, как в России, так и за
рубежом, производят эластичные вставки различного состава и отличающихся
в основном конфигурацией установочных выступов. Недостатком способов защиты металла от вторичного окисления с использованием защитных труб, а
также эластичных вставок, является то, что они одноразовые и требуют замены
после каждой плавки. В литейных производствах, а также в металлургии, где
имеет место сифонная разливка, использование защитных труб не возможно.
В качестве альтернативного варианта защиты струи металла от вторичного окисления НПП «Вулкан-ТМ» предлагает использовать устройство газодинамической защиты металла от вторичного окисления (рис. 1.8), которое
имеет широкие технические возможности, в том числе адаптировано под сифонную разливку металла.
Рис. 1.8 Устройство газодинамической защиты металла от вторичного
окисления производства НПП «Вулкан-ТМ
Устройство газодинамической защиты металла от вторичного окисления
производства НПП «Вулкан-ТМ» монтируется на шиберном затворе путем защелкивания на байонетной гайке во время межплавочного обслуживания сталеразливочного ковша. Продувка аргоном осуществляется весь период разливки плавки. Стойкость системы защиты составляет до 7 плавок. Износ системы
обуславливается накапливанием металла в продувочных щелях и растрескиванием огнеупорного кольца.
22
1.6 Особенности производства цветных металлов
Получение меди. Медные руды бедные, содержат не более 5–6% меди,
поэтому рентабельной считается руда, содержащая 1–2% меди. Основные медные руды: сульфидные (медный колчедан – халькопирит CuFeS2; халькозим –
медный блеск CuS) и окисленные (куприт Cu2O; CuO) и некоторые другие.
Процесс получения меди складывается из следующих этапов:
 Обогащение руды путем флотации, основанной на смачиваемости водой породы и несмачиваемости частиц, содержащих медь. В результате получается медный концентрат, содержащий до 30% меди.
 Обжиг концентрата в пламенных или электрических печах при температуре 1200–13000С (плавка на штейн).
Штейн – сплав сульфидов меди Cu2S и железа FeS с содержанием меди до
60%.
 Продувка штейна в конвертере воздухом для окисления сульфидов
меди и железа, перевода образующихся оксидов в шлак, а серы в SO2 (газ). В
результате получают черновую медь, содержащую 98–99% меди и небольшое
количество золота, серебра, цинка, свинца, теллура, селена и др. Одновременно
из отходящих газов извлекают серу.
 Огневое и электролитическое рафинирование с попутным извлечением
золота, серебра, теллура, селена и пр.
Электролитическим рафинированием получают медь чистотой 99,90–
99,99% (марки М1, М0 и М00), огневым рафинированием чистотой 99,0–99,5
(марки М2, М3, М4).
Получение алюминия. Алюминий по распространению в природе занимает третье место после кислорода и кремния, а среди металлов – первое (в
земной коре примерно 7,5% алюминия). Для получения алюминия необходимо
значительное количество электроэнергии, поэтому его массовое производство
стало возможным, когда появились дешевые источники электроэнергии (ГЭС).
В начале прошлого века алюминий ценился дороже золота. Первый алюминиевый завод в нашей стране был пущен в 1932 г. на базе Волховской ГЭС.
Рудами алюминия являются породы, богатые глиноземом Al2O3 и залегающие крупными массами. Важнейшая руда – бокситы состоит из гидратов оксидов алюминия и железа, кремнезема, соединений кальция, магния и др.
Производство алюминия слагается из трех основных процессов:
 Получение глинозема щелочным способом: бокситы обрабатывают
щелочью NaOH, фильтруют, обезвоживают обжигом при температуре 1100–
12000С. Одновременно получают криолит Na3AlF6 из плавикового шпата; его
отфильтровывают и просушивают в сушильных барабанах.
 Электролиз глинозема в расплавленном криолите при температуре
930–9700С в ванне из углеродистого материала. Катодом служит расплавленный алюминий слоем 200–300 мм на дне ванны, анодом – углеродистые блоки,
погруженные в электролит. Процесс идет на постоянном токе напряжением 4–
23
4,5 вольта и силой тока 70–140 тысяч ампер. Алюминий собирается на дне ванны и периодически извлекается; на дне ванны оставляют немного алюминия
(катод).
В результате электролиза получается алюминий – сырец, содержащий
примеси и газы.
 Рафинирование первичного алюминия производят: а) продувкой хлора
через расплав алюминия в закрытом ковше. Образующийся парообразный хлористый алюминий обволакивает частички примесей, которые всплывают и их
удаляют. Для выделения газов из металла его выдерживают 30–45 мин. при
температуре 690–7300С. Чистота алюминия составляет 99,5–99,85%; б) для получения алюминия высокой чистоты (электротехнического) применяют электролитическое рафинирование (электролит – раствор хлористых и фтористых
солей; катод – пластины чистого алюминия). Можно получить алюминий чистотой 99,999%. Расход электроэнергии составляет 17–19 кВт∙ч на 1 кг алюминия.
Производство магния. Подобно алюминию магний получают электролизом из его расплавленных солей.
Основным сырьем для получения магния являются: карналлит
(MgCl2∙KCl∙6H20), магнезит (MgCO3), доломит (CaCO3∙MgCO3), бишофит
(MgCl2∙6H2O). Наибольшее количество магния получают из карналлита. Сначала карналлит обогащают и обезвоживают. Безводный карналлит (MgCl2∙KCl)
используют для приготовления электролита.
Электролиз осуществляют в электролизере, футерованном шамотным
кирпичом. Анодами служат графитовые пластины. Электролизер заполняют
расплавленным электролитом состава: 10% MgCl2, 45% CaCl2, 30% NaCl, 15%
KCl с небольшими добавками NaF и CaF2. Такой состав электролита необходим
для понижения температуры его плавления [(720±10)0С]. Для электролитического разложения хлористого магния через электролит пропускают ток. В результате образуются ионы хлора, которые движутся к аноду. Ионы магния
движутся к катоду и после разряда выделяются на поверхности, образуя капельки жидкого чернового магния. Магний имеет меньшую плотность, чем
электролит, поэтому он всплывает на поверхность, откуда его периодически
удаляют вакуумным ковшом.
Черновой магний содержит 5% примесей, поэтому его рафинируют переплавкой с флюсами. Для этого черновой магний и флюс, состоящий из MgCl2,
KCl, BaCl2, CaF2, NaCl, CaCl2, нагревают в электропечи до температуры 700–
500С и перемешивают. При этом неметаллические примеси переходят в шлак.
После этого печь охлаждают до температуры 6700С и магний разливают в изложницы на чушки.
Производство титана. Сырьем для получения титана являются титаномагнетитовые руды, из которых выделяют ильменитовый концентрат, содержащий 40–45% TiO2, ~30% FeO, 20% Fe2O3 и 5–7% пустой породы. Название
этот концентрат получил по наличию в нем минерала ильменита FeO·TiO2.
24
Ильменитовый концентрат плавят в смеси с древесным углем, антрацитом в руднотермических печах, где оксиды железа и титана восстанавливаются.
Образующееся железо науглероживается, и получается чугун, а низшие оксиды
титана переходят в шлак. Чугун и шлак разливают отдельно в изложницы. Основной продукт этого процесса – титановый шлак содержит 80–90% TiO2, 2–%
FeO и примеси – SiO2, Al2O3, CaO и др. Побочный продукт этого процесса – чугун используют в металлургическом производстве.
Полученный титановый шлак подвергают хлорированию в специальных
печах. В нижней части печи располагают угольную насадку, нагревающуюся
при пропускании через нее электрического тока. В печь подают брикеты титанового шлака, а через фурмы внутрь печи – хлор. При температуре 800–12500С
в присутствии углерода образуется четыреххлористый титан, а также хлориды
CaCl2, MgCl2 и другие:
TiO2 + 2C + 2Cl2 = TiCl4 + 2CO.
Четыреххлористый титан отделяется и очищается от остальных хлоридов
благодаря различию температуры кипения этих хлоридов методом ректификации в специальных установках.
Титан из четыреххлористого титана восстанавливают в реакторах при
температуре 950–10000С. В реактор загружают чушковый магний; после откачки воздуха и заполнения полости реактора аргоном внутрь его подают парообразный четыреххлористый титан. Между жидким магнием и четыреххлористым
титаном происходит реакция:
2Mg + TiCl4 = Ti + 2MgCl2.
Твердые частицы титана спекаются в пористую массу – губку, а жидкий
MgCl2 выпускают через летку реактора. Губка титана содержит 35–40% магния
и хлористого магния. Для удаления из титановой губки этих примесей ее нагревают до температуры 900–9500С в вакууме.
Титановую губку плавят методом вакуумно-дугового переплава. Вакуум в
печи предохраняет титан от окисления и способствует очистке его от примесей.
Полученные слитки титана имеют дефекты, поэтому их вторично переплавляют, используя как расходуемые электроды. После этого чистота титана составляет 99,6–99,7%. После вторичного переплава слитки используют для обработки давлением.
25
2 ТЕХНОЛОГИИ ЛИТЕЙНОГО ПРОИЗВОДСТВА
Литье – один из старейших способов получения заготовок (в ряде случаев
и готовых деталей) ракетно-артиллерийского вооружения. Первым литейным
заводом в России был пушечно-литейный завод (“Пушечная изба”), построенный в Москве в 1479 г.
Большой вклад в развитие литейного производства внесли русские мастера. Андрей Чохов отлил “царь-пушку” массой 21,2 т (1586 г.), Иван Моторин
(1734 г.) – “царь-колокол” массой около 200 т. В 1860 г инженером П.М. Обуховым был отлит стальной ствол 12-фунтовой пушки, который выдержал около
4000 выстрелов.
В современном производстве литье применяется для получения заготовок
длинномерных изделий, станков, тормозов, деталей машин, зубчатых колес, валов, штанг, деталей двигателя внутреннего сгорания и различных изделий машиностроения широкой номенклатуры.
Методом литья можно изготовить изделия самой сложной конфигурации,
которые при помощи других способов обработки получить трудно или невозможно. Стоимость литой детали почти всегда ниже стоимости аналогичной детали, изготовленной другими методами.
2.1 Сущность и основные способы литья
Литье – формообразование из жидкого (расплавленного) металла путем
заполнения им полости заданной формы и размеров с последующей кристаллизацией. Продукция литья называется отливкой.
Сущность литья сводится к получению жидкого металла нужного химсостава и заливке его в заранее приготовленную литейную форму. В процессе
кристаллизации и охлаждения залитого металла формируются основные механические свойства отливки, определяемые макро- и микроструктурой сплава,
его плотностью, наличием неметаллических включений, внутренних напряжений и т.п.
В производстве различных изделий машиностроения (РИМ) литьем получают заготовки различной формы и размеров Некоторые конструкции и изделия содержат до 80% (по массе) литых деталей. Столь широкое применение литья обусловлено такими его важными преимуществами, как возможность изготовления отливок практически любой конфигурации массой от долей грамма до
сотен тонн; относительная простота и невысокая стоимость технологической
26
оснастки; возможность получения изделий из малопластичных материалов (чугуны, силумины, литейные бронзы и латуни), переработка которых другими
способами затруднена или невозможна.
В принципе получить отливку можно из любого материала, однако для
получения изделий высокого качества применяют сплавы, обладающие необходимыми литейными свойствами: достаточной жидкотекучестью, возможно малой усадкой, однородностью (малой склонностью к ликвации), легкоплавкостью, малой газопоглощаемостью, трещиноустойчивостью и некоторыми другими.
Жидкотекучесть – способность сплава воспроизводить рельеф литейной
формы. При недостаточной жидкотекучести форма заполняется не полностью
(недолив), и отливка бракуется. Высокой жидкотекучестью обладают силумины, серые (литейные) чугуны, кремнистые бронзы.
Усадка – уменьшение сплава в объеме и линейных размерах при затвердевании. Линейная усадка выражается отношением
k = (lф - lот)·100/lот, %,
где lф и lот - размеры формы и отливки соответственно.
Сплавы должны иметь возможно меньшую усадку, т.к. она способствует
появлению усадочных раковин, пористости, напряжений, вызывающих коробление отливок и трещины. Линейная усадка в среднем составляет: для серого
чугуна 1,0–1,3%,углеродистой стали 1,2–2,4%, легированной стали 2,5–3,0%,
силумина 1,0–1,5%, магниевых сплавов 1,0–1,6%, латуней 1,5–
1,9%,оловянистых бронз 1,0–1,5%, безоловянистых бронз 1,6–2,2%.
Ликвация — неоднородность химического состава в различных частях
отливки. Чем шире температурный интервал кристаллизации сплава и ниже
скорости охлаждения, тем больше ликвация. Наименьшая неоднородность
свойственна сплавам, имеющим состав, близкий к эвтектическому. Уменьшить
ликвацию можно ускоренным охлаждением, а также последующим диффузионным отжигом (гомогенизацией) отливок.
По технологическим признакам литейное производство включает в себя
ряд способов, классификация которых определяется государственными стандартами. ГОСТ 18169-72 устанавливает свыше 50 способов литья, среди которых наибольшее применение в производстве РИМ получили: литье в песчаные
формы (в землю), в оболочковые формы, в металлические формы (кокили), по
выплавляемым моделям, под давлением воздуха или поршня, центробежное и
некоторые другие.
27
2.2 Литье в песчаные формы
Литье в песчаные формы (литье в землю) – процесс получения отливок
путем свободной заливки расплавленного металла в форму, изготовленную из
песка с добавлением глины, воды и небольшого количества специальных добавок.
В артиллерийском производстве литьем в землю получают примерно 10%
всех деталей. Это, как правило, небольшие серии крупногабаритных отливок:
дульные тормозы, корпуса редукторов механизмов наводки, нижние и верхние
станки, люльки обойменного (иногда и коробчатого) типа, блоки цилиндров
двигателей различных транспортных средств.
Технологическая схема получения отливки в песчаные формы представлена на рисунке 2.1.
Конструирование литой детали
(чертеж отливки)
Конструирование и изготовление
модели и стержневого ящика
Приготовление
формовочной смеси
Изготовление
полуформ и стержней
Приготовление
стержневой смеси
Сборка формы
Заливка формы
Опоки
Отработанная
формовочная
смесь
Плавка металла
Выбивка литья
из формы
Отрезка литников
и очистка литья
Литники,
выпоры
Рисунок 2.1 – Схема технологического процесса литья в землю
28
По чертежу отливки в модельном цехе делаются литейные модели и
стержневые ящики, размеры которых отличаются от размеров отливки на величину усадки
lмод = lот + lот · k/100, мм,
где k – коэффициент усадки сплава в %. Модель предназначена для получения в формовочной смеси отпечатка отливки, а стержневой ящик – для изготовления стержней, формирующих внутренние полости в отливках. В мелкосерийном производстве применяют деревянные модели и ящики; в серийном и
массовом – чугунные, силуминовые или пластмассовые.
На рисунке 2.2, показана модель, состоящая из двух половинок, имеющая
знаковые части. Знаки модели при формовке образуют углубления, в которых
закрепляются песчаные стержни. Стержни, образующие внутреннюю полость
отливки, изготовляют в стержневых ящиках (рисунок 2.2, б), сделанных также
из двух половинок.
Формовочную смесь, состоящую из песка (80–90%), глины (12–8%) и
других компонентов, добавляемых в небольших количествах, увлажняют водой
и засыпают в формовочные приспособления – опоки (рисунок 2.3). Затем в
опоку укладывают половину модели, засыпают формовочной смесью и утрамбовывают на вибромашинах или прессах. После извлечения модели получается
полуформа. Аналогично изготовляют и вторую полуформу, используя другую
половинку модели. В верхней полуформе предусматривают систему литниковых каналов 7, 8, 9, 10 (рисунок 2.3) для заливки металла, а также выпор 5 для
выхода газов из полости формы.
После установки стержня 1 производят сборку полуформ, устанавливая
верхнюю опоку 4 на нижнюю 2 и фиксируя контрольными штифтами 3.
Для лучшей вентиляции (газопроницаемости) формы в ее обеих половинках делаются наколы.
a)
б)
Рисунок 2.2 – Модель отливки (а) и половинка стержневого ящика (б)
29
После заливки формы и затвердевания отливки литейную форму разрушают, извлекают отливку и освобождают ее и опоки от формовочной смеси.
Рисунок 2.3 – Литейная форма в сборе:
1 – стержень; 2, 4 – верхняя и нижняя опоки; 3 – штырь; 5 – выпор;
6 – канал для отвода газов; 7 – литниковая чаша; 8 – стояк;
9 – шлакоуловитель; 10 – питатель
Отрезку элементов литниковой системы (стояков, выпоров, питателей и
др.) выполняют на фрезерных, шлифовальных станках или газовой резкой.
Для экономии материалов отработанную формовочную смесь и обрезки
металла регенерируют.
Основные достоинства процесса – невысокая стоимость технологической оснастки, возможность получать любые по массе и размерам отливки.
Недостатки: низкая точность размеров (14–16 квалитеты); большая шероховатость поверхности (Rz 320 и грубее); крупнозернистая дендритная структура отливки с невысокими механическими свойствами.
Основными причинами низкой точности размеров и формы являются:
наличие разъема в форме; осыпание формовочной смеси при транспортировке и
заливке; расталкивание модели при выемке; податливость формы.
Тем не менее в ряде случаев литье в землю является незаменимым способом получения рациональных заготовок деталей промышленности, военной
техники и вооружения.
30
2.3 Оболочковое литье
Этот способ является разновидностью литья в разовые песчаные формы.
Сущность процесса заключается в том, что форма изготовляется из смеси мелкозернистого кварцевого песка (92–97%) и порошка фенолоформальдегидной
(бакелитовой) термореактивной смолы (3–8%). Особенностью этой смеси является ее способность при нагреве до 100–1200С плавиться, а при дальнейшем
нагреве свыше 1600С необратимо затвердевать и образовывать тонкую (6–12
мм), прочную, газопроницаемую оболочку (корку).
В промышленности и производстве военной техники оболочковое (корковое) литье применяют для получения коленчатых валов двигателей, тягачей,
танков, мотоциклов; опорных и поддерживающих катков гусеничных машин;
зубчатых колес и других деталей.
Техпроцесс изготовления оболочковых литейных форм бункерным
(наиболее производительным) способом складывается из следующего (рисунок
2.4).
Рисунок 2.4 – Бункерный способ изготовления оболочковых полуформ
Изготовляется металлическая модель 4. С учетом того, что модель в процессе формовки нагревается, ее размеры определяют по формуле
l k
lот  от
100
l м од 
, мм,
1 t
где k-коэффициент усадки в %; α – коэффициент линейного расширения
материала модели; t – температура нагрева модели, 0С.
Нагретая до 2500С модель закрепляется на бункере 1 скобами 3 (позиция
I) и поворачивается на 1800 (позиция II). Формовочная смесь попадает на нагретую модель.
Термореактивная смола плавится и склеивает частички песка, образуя пока еще рыхлую (полусырую) корочку. Толщина оболочки регулируется временем выдержки. Так, за I5–20 с образуется корка толщиной 8–12 мм.
Бункер возвращается в исходное положение (позиция III), лишняя формовочная смесь ссыпается вниз, а модель с оболочкой помещается на 2–3 мин в
печь, где при температуре 250–3000С происходит окончательное спекание обо31
лочки. Аналогично получают вторую полуформу, полуформы склеивают или
скрепляют зажимами, предварительно проставив песчаные стержни, и подают
под заливку. Крупные оболочки перед заливкой устанавливают в ящики и засыпают дробью или песком.
Для извлечения отливки после затвердевания сплава форму разрушают.
Преимущества литья в оболочковые формы по сравнению с литьем в
землю: более высокая точность (12–14 квалитеты) и качество поверхности (Rz
160–40); высокая газопроницаемость оболочек (поскольку нет глины), что существенно снижает брак по газовым пузырям и раковинам; меньше расход
формовочной смеси (в 20–30 раз); процесс легко механизировать и автоматизировать; высокая производительность формовки (до 500 оболочек в час).
Недостатки: ограниченная масса отливок (до 300 кг, наиболее экономично до 50–80 кг); большая стоимость формовочных материалов за счет высокой стоимости смолы.
2.4 Литье по выплавляемым моделям
Это один из наиболее точных способов литья. Сущность способа состоит
в том, что формовка ведется по модели из легкоплавкого состава (парафин, стеарин, церезин, воск, их смеси и т.п.), которая покрывается тонкой керамической
оболочкой. Впоследствии модель выплавляется, а полость оболочки заливается
металлом.
Литье по выплавляемым моделям нашло широкое применение в производстве вооружения. Так, например, при производстве автомата АК и пулемета
РПК изготовляют: отливки колец цевья, пламегасители, колодки прицелов,
мушки, детали автоматики; при изготовлении артиллерийских орудий: отливки
удержников, детали автоматики, корпуса и детали прицелов. Данный способ
применяется также при изготовлении деталей приборов, охотничьих ружей, измерительного и режущего инструмента, зубчатых колес, художественных и
ювелирных изделий и многих других деталей.
Схема литья по выплавляемым моделям показана на рисунке 2.5.
Рисунок 2.5 – Схема литья по выплавляемым моделям
32
Изготовление моделей производится в стальных пpecс-формах (рисунок
2.5, а) путем запрессовки в них модельного состава. Широкое применение
нашли составы ПС50-50 (50% парафина и 50% стеарина) и некоторые другие.
Температура плавления этих составов 50–580С. Поверхность пресс-форм подвергают цементации, закалке до HRC 50 и хромированию.
Мелкие модели собирают в блоки, припаивая их нагретым ножом к общей модели литниковой системы для уменьшения отходов металла (рисунок
2.5, в). В один блок объединяют от 2 до 100 моделей.
Литейные формы по выплавляемым моделям изготовляют погружением
модельного блока в керамическую суспензию, налитую в емкость, с последующей обсыпкой кварцевым песком. Суспензию приготовляют тщательным перемешиванием огнеупорных материалов (пылевидного кварца, электрокорунда,
циркона и др.) со связующим – гидролизированным раствором этилсиликата.
После стекания с моделей излишков суспензии их обсыпают кварцевым песком
или крошкой шамота в псевдоожиженном слое и сушат. Обычно керамическая
оболочка состоит из 3–8 последовательно нанесенных слоев общей толщиной
от 2 до 6 мм.
Выплавление моделей производят либо в ваннах с горячей водой (85–
0
90 С), либо горячим воздухом (паром). Возврат модельного состава составляет
90–95%.
Готовую форму прокаливают при температуре 850–9000С; при этом
остатки модельного состава выгорают, поверхность формы становится гладкой,
прочной и твердой.
Формы заливают металлом сразу же после прокаливания (горячими). Для
крупных отливок форму помещают в ящик и засыпают песком или дробью.
После затвердевания металла керамическую корку отбивают. Для удаления керамики в отверстиях и внутренних каналах отливки подвергают выщелачиванию при 1200С с последующей промывкой и сушкой.
Основное достоинство рассмотренного способа литья в том, что форма
не имеет разъемов и точность размеров отливки будет существенно выше (10–
12 квалитеты), чем при литье в песчаные формы, так как здесь исключены основные причины потери точности. Шероховатость поверхности отливки получается низкой благодаря применению кварцевой муки (Rz не более 40 мкм).
Способ трудоемок и дорог, но оправдывается во многих случаях, так как
отливки почти не нуждаются в механической обработке (за исключением шлифования).
В промышленности применяют также следующие разновидности способов получения точных отливок:
 Литье по выжигаемым моделям. При этом способе модель не выплавляют из формы, а выжигают. Модель изготовляют из пенополистирола и заформовывают. Не извлекая модели, форму заливают жидким металлом. Модель
при соприкосновении с расплавленным металлом испаряется и металл занимает
то пространство, где была модель.
33
 Литье по растворяемым моделям. В этом случае модель изготовляют
из солей (NaNO3, KNO3 и др.). После изготовления литейной формы модель
растворяют в воде.
 Литье по замороженным моделям. Модель изготовляют из водных
растворов солей или ртути. Жидкий раствор заливают в штамп и замораживают. После формовки модель удаляют из формы нагреванием.
2.5 Литье в кокиль
Литье в кокиль – процесс получения отливок путем свободной заливки
металла в многократно используемые металлические литейные формы – кокили.
В промышленном производстве литьем в кокиль получают заготовки различных деталей серийного и массового производства.
Рисунок 2.6 – Кокиль для отливки корпуса снаряда
Кокиль представляет собой металлическую (чугунную, стальную) разъемную литейную форму (рисунок 2.6). Точность сборки частей кокиля обеспечивается центрирующими штырями 2; подвод металла в полость формы 6 осуществляется по литнику 5. Заполнение формы металлом контролируется по выпору 7. Газы из формы отводятся через выпор и специальные газовые каналы
глубиной 0,2–0,5 мм вдоль разъема формы (на рисунке не показаны). Полости в
отливках получают с помощью стержней (песчаных или металлических).
Способ литья в кокиль имеет ряд преимуществ перед литьем в разовые
формы: металлическая форма выдерживает большое количество заливок (от нескольких сотен до сотен тысяч в зависимости от температуры заливаемого
сплава); высокая точность (11–12 квалитет) и качество поверхности (Rz 40);
мелкозернистая структура металла отливки, вследствие повышенного теплоотвода формы, что приводит к существенному повышению механических
свойств.
Литью в кокиль присущи и некоторые недостатки: большая стоимость
формы (особенно сложной); повышенная теплопроводность формы может при34
вести к быстрой потере жидкотекучести сплава (недолив) и получению отбела у
чугуна (ледебуритный цементит); при отливке стальных деталей форма имеет
невысокую стойкость.
Техпроцесс литья в кокиль состоит из следующих операций:
 Подготовка кокиля к заливке (обдув сжатым воздухом, нанесение на
рабочую поверхность формы слоев облицовки и краски). Огнеупорная облицовка слоем 0,3–0,8 мм наносится через каждые 50–100 заливок; тонкий слой
меловой краски – перед каждой заливкой (для повышения стойкости формы).
 Сборка кокиля с установкой стержней.
 Нагрев формы до 100–5000С для предотвращения снижения жидкотекучести заливаемого сплава. Практически в процессе работы форма постоянно
поддерживается в нагретом состоянии.
 Заливка металла в форму.
 Извлечение отливки в горячем состоянии, с помощью выталкивателей
или вытряхиванием.
 Обрубка и очистка литья.
Все операции литья в кокиль могут быть механизированы. В обычных
литейных машинах механизированы открывание и закрывание форм, установка
стержней, выемка (выбивка) отливок.
2.6 Литье под давлением
Литье под давлением – процесс получения отливок в металлических
формах (пресс-формах), при котором заливка металла и формирование отливки
осуществляются под давлением воздуха или поршня.
Сущность процесса заключается в заливке расплавленного металла в камеру сжатия литейной машины и последующей перегонке его через литниковую систему в полость формы. Заполнение формы происходит при высокой
скорости потока (большой кинетической энергии струи), что способствует четкому оформлению поверхностей отливок самой сложной конфигурации.
В артиллерийском производстве литьем под давлением получают детали
гидроприводов ПУ, электрооборудования, распределительных коробок, приборных плат и др. Очень широкое применение способ нашел в артиллерийском
приборостроении благодаря следующим преимуществам: возможность получения сложных (в том числе армированных) отливок с тонкими стенками (от
0,8 мм), с готовыми отверстиями, мелкими резьбами и надписями; высокая
точность размеров (8–12 квалитеты) и качество поверхности (Rz=12,5–2 мкм);
высокая производительность; возможность автоматизации процесса; высокие
механические свойства отливок.
К числу недостатков следует отнести: высокую стоимость технологической оснастки; образование пористости в массивных отливках из-за перемешивания жидкого металла с воздухом при высоких скоростях заливки. Поэтому
применение рассматриваемого способа литья наиболее целесообразно для по35
лучения сложных отливок с тонкими (до 6 мм) стенками, причем наилучшее
качество обеспечивается при толщине стенок I,5–3 мм.
При литье под давлением металлические формы (пресс-формы) по конструкции более сложны, чем кокили. Для образования внутренних полостей в
отливках применяются металлические стержни (применение песчаных стержней исключается).
Машины для литья под давлением имеют два основных механизма: механизм открывания и закрывания формы и механизм, запрессовывающий расплавленный металл в форму. Различают следующие типы машин: поршневого
действия (с горячей и холодной камерой сжатия) и компрессорного действия (с
подвижной и неподвижной камерой сжатия). Наибольшее распространение получили машины поршневого типа, так как в компрессорных машинах давление
осуществляется сжатым воздухом и жидкий металл взаимодействует с кислородом и азотом воздуха, что снижает его качество.
Рисунок 2.7 – Схема поршневой машины с горячей камерой прессования
Машины поршневого типа с горячей камерой сжатия (рисунок 2.7) применяют для сплавов, имеющих температуру плавления до 4500С (цинковые,
оловянные, свинцовые и т.п.). Металл заливается в непрерывно подогреваемый
тигель 1. При работе прессующего цилиндра 3 поршень 4 опускается, перекрывает отверстие 8, через которое расплавленный металл поступает в камеру
прессования 2. Под давлением поршня металл поднимается по каналу 7 и через
мундштук 6 заливается в форму 5. Машины могут иметь гидро- или пневмопривод, просты по устройству, высокопроизводительны и могут полностью автоматизироваться, но при заливке сплава, нагретого выше 5000С, между стенками поршня и цилиндра образуются пленки оксидов, что вызывает частые
остановки машины.
Для получения отливок из более тугоплавких сплавов (медных, алюминиевых, магниевых и др.) применяются машины с холодной камерой сжатия (рисунок 2.8). После заливки дозы металла в камеру прессования 2 поршень 1
опускается и, надавливая на пятку 4, открывает литниковое отверстие. Металл
запрессовывается в форму 3. Когда металл затвердевает, пятка 4 поднимается и
36
срезает остаток 5, освобождая тем самым выход отливки 6 вместе с литником.
Форма раскрывается, отливка удаляется, после чего цикл повторяется.
Рисунок 2.8 – Схема холодной вертикальной камеры сжатия
2.7 Основные дефекты литья и их исправление
ГОСТ устанавливает 22 вида дефектов отливок: коробление (искажение
формы отливки); пригар (прочное соединение поверхности отливки с формовочной смесью); отбел; трещины; раковины газовые и усадочные; рыхлость и
пористость (неплотная структура металла); механические повреждения отливок
(вмятины и забоины при выбивке и очистке литья); шлаковые включения; флокены; недолив и др.
Многие отливки, имеющие дефекты, не бракуются, если эти дефекты
можно исправить. Применяется целый ряд способов исправления дефектов.
Отливки, имеющие коробление или изгиб, подвергаются правке ударами
бойка молота, нажатием ползуна пресса и вручную ударным инструментом
(молоток, кувалда).
Раковины и трещины ремонтируют заливкой жидким металлом, наплавкой или заваркой (дуговой и газовой сваркой). Дефектное место предварительно вырубается. Можно применять также ввертывание пробок.
Пористость в отливках устраняется пропиткой пор и пустот самотвердеющими материалами (асфальтовый и бакелитовый лаки, полистирол, жидкое
стекло и др.) или замазкой твердеющими пастами.
Так, в соответствии с техническими условиями на изготовление литой
люльки АО поверхностные дефекты отливки вырубают, а затем заваривают
электродуговой или газовой сваркой.
37
3 ТЕХНОЛОГИИ ОБРАБОТКИ МЕТАЛЛОВ ДАВЛЕНИЕМ
3.1 Сущность и основные способы
Обработкой металлов давлением (ОМД) называется механическая обработка, заключающаяся в пластическом деформировании или разделении материала без снятия стружки.
В процессе пластического деформирования изменяется структура металла
и повышаются его механические свойства, поэтому наиболее тяжелонагруженные детали различных конструкций получают обработкой давлением. В нашей
стране примерно 90% всей выплавляемой стали и около половины цветных
сплавов подвергают обработке давлением. Такие изделия, как артиллерийское
орудие, трактор, комбайн, самолет содержат по массе от 60 до 80% штампованных и кованых деталей.
По физической сущности обработка металлов давлением является процессом пластической деформации. Пластическая деформация монокристалла
происходит либо путем сдвига (скольжения), либо путем двойникования.
Механизм пластической деформации поликристаллов значительно сложнее. Это объясняется тем, что в поликристаллах зерна отличаются между собой
по форме и размерам, обладают неодинаковыми физико-механическими свойствами и различно ориентированы плоскостями и направлениями сдвига по отношению к деформирующей нагрузке.
Различают два вида деформации поликристаллических тел:
 внутрикристаллитную — по зерну;
 межкристаллитную — по границам зерен.
Первая, так же как и в отдельном монокристалле, протекает путем сдвига
и двойникования, вторая — путем поворота и перемещения одних зерен относительно других. Оба вида деформации протекают в поликристаллических телах одновременно (рисунок 3.1).
Поскольку в поликристалле зерна имеют различную ориентацию плоскостей сдвига, пластическая деформация начинается под действием внешних сил
не во всех зернах одновременно. Вначале деформируются наиболее благоприятно ориентированные зерна, то есть те зерна, плоскости сдвига которых расположены относительно направления усилия под углом 450 (рисунок 3.1, а, зерна 1, 2, 3, 4). Вместе с тем плоскости скольжения будут поворачиваться в сторону уменьшения угла и потребуется большее значение нагрузки, чтобы продолжался процесс сдвига по тем же плоскостям. Остальные зерна поворачиваются в результате возникновения моментов сил плоскостями сдвига на угол 45 0
к оси прилагаемой нагрузки. После поворота осуществляется их деформирование (рисунок 3.1, б).
В результате пластической деформации происходит изменение формы зерен. Зерна вытягиваются в направлении деформации и приобретают волокни38
стое строение с текстурой одинаковой ориентировки кристаллических решеток
(рисунок 3.1, в).
Пластическая деформация металла происходит как при холодной обработке давлением, так и при горячей.
С увеличением внешней силы Р происходит последовательное смещение
частиц зерна. Кроме сдвига частиц зерна происходит и поворот смещенных частей зерна в направлении уменьшения угла между плоскостью скольжения и
направлением силы Р. Этот поворот объясняется тем, что свободному смещению частей зерна препятствуют соседние зерна. В результате сдвигов и поворотов плоскостей скольжения зерно постепенно вытягивается в направлении силы
Р и металл приобретает волокнистое строение (рисунок 3.1, в) с анизотропией
свойств.
Рисунок 3.1 – Схема развития пластической деформации в поликристалле
При холодной ОМД металл интенсивно упрочняется (наклепывается) и
теряет пластичность. При необходимости продолжить обработку давлением заготовку подвергают отжигу. Изделия, полученные холодной деформацией, отличаются высокими прочностными свойствами (благодаря наклепу), точными
размерами и гладкой поверхностью. Однако, так можно обрабатывать только
весьма пластичные материалы. Холодная ОМД применяется обычно при прокатке тонкого листа, при волочении, при штамповке гильз артиллерийских выстрелов.
Горячая ОМД осуществляется при температурах, превышающих температуру рекристаллизации. При этом деформационное упрочнение (наклеп) полностью снимается, металл получает равноосную структуру, причем волокнистое строение сохраняется. Чем сильнее нагрет металл, тем выше его пластичность и ниже сопротивление деформированию (в 10–15 раз для углеродистой
стали). Однако, нельзя допускать пережога (окисления по границам зерен), который наблюдается вблизи линии солидуса.
Существенное влияние на пластичность и сопротивление деформированию оказывает схема напряжений. Практикой ОМД установлено, что в услови39
ях, отвечающих одноименным схемам со сжимающими напряжениями, пластичность металла всегда выше, чем при одноименных схемах с растягивающими напряжениями. Академик Губкин С.И. писал: «Чем меньшую роль в схеме главных напряжений играют растягивающие напряжения и чем большую —
сжимающие, тем большую способность к пластической деформации проявляет
металл». Например, прессованием, характеризующимся схемой всестороннего
неравномерного сжатия, можно обрабатывать даже малопластичные материалы, а волочением (два сжимающих и одно растягивающее напряжение) —
только очень пластичные металлы.
На процесс ОМД большое влияние оказывает также контактное трение,
то есть трение на контакте инструмента и заготовки. Как правило, контактное
трение является вредным явлением. Потери энергии на преодоление сил трения
могут достигать 30–50% и более. Для снижения коэффициента трения и облегчения условий деформации применяют различные смазки и инструмент с полированной поверхностью. Однако, в отдельных случаях, например, при прокатке
трение является полезным фактором, поэтому там, наоборот, создают условия
для повышения трения.
Основными способами ОМД являются: прокатка, волочение, ковка, объемная штамповка (ковка в штампах), листовая штамповка, а также некоторые
специальные процессы, например, отделочная и упрочняющая обработка пластическим деформированием. Основные из этих способов будут рассмотрены
ниже.
Перспективно использование экстремальных эффектов изменения механических свойств металлов и сплавов для разработки ресурсосберегающих технологий обработки металлов давлением.
3.2 Нагрев металла и нагревательные устройства
Нагрев заготовок при ОМД производят для повышения пластичности и
снижения сопротивления металла деформированию (т.е. энергозатрат). Поскольку в процессе обработки температура заготовки снижается (заготовка
остывает), говорят о оптимальном температурном интервале горячей ОМД, который определяют по экстремальным значениям характеристик пластических и
прочностных свойств металлических систем.
Верхний предел горячей обработки tв выбирается таким образом, чтобы не
было перегрева, пережога, интенсивного окисления и обезуглероживания (для
сталей) нагреваемого металла. Нижний предел - tн должен быть не ниже температуры мгновенной рекристаллизации во избежание появления наклепа. Основанием для правильного выбора температурного интервала служит диаграмма
состояния сплавов. Так, для углеродистых сталей этот интервал показан на диаграмме "железо — углерод" (рисунок 3.2, заштрихованный участок). Верхний
предел tв располагается на 100–2000С ниже линии солидус, а нижний tн - на 30–
40
500С выше линии GS для доэвтектоидных и на 30–500С выше линии PSK для
заэвтектоидных сталей.
Температурный интервал ОМД для легированных сталей характеризуется
некоторым сужением с небольшим понижением предельных температур.
Медь обрабатывается в зоне температур 900–7000С, латунь — 760–6000С,
бронза — 900–7500С, алюминиевые сплавы — 470–3800С, магниевые — 430–
3000С.
Для качества изделий, получаемых горячей обработкой давлением, имеет
существенное значение не только режим нагрева, но и режим охлаждения.
Слишком быстрое охлаждение может привести к образованию в результате
термических напряжений наружных трещин. Чем меньшую теплопроводность
имеет сплав и чем больше размер изделия, тем медленнее должно быть охлаждение. Последнее (в порядке увеличения продолжительности) осуществляется: на воздухе; на воздухе в штабелях; в ящиках (ямах) с закрытыми крышками;
в закрытых ящиках (ямах) с засыпкой песком, золой, шлаком и т.п.; в печах.
Так, например поковки из высоколегированной инструментальной стали
даже самых малых размеров охлаждаются в печах; крупные поковки из конструкционной стали, начиная примерно с диаметра 500 мм, также охлаждаются
в печах.
Рисунок 3.2 – Температурный интервал горячей ОМД
В производстве промышленных изделий применяют два способа нагрева
заготовок под горячую ОМД: а) прямой, при котором тепло аккумулируется
непосредственно в металле (электроконтактный, индукционный); б) косвенный,
41
при котором тепло передается металлу какой-либо средой, нагретой до более
высокой температуры (нагрев в пламенной печи, расплавах солей, электролитах).
Наиболее широко применяются камерные печи периодического действия
с пламенным нагревом (рисунок 3.3). В них нагревают слитки под ковку штанг,
прутков, клиньев и других деталей различной формы. Металл загружается отдельными партиями (садками). После нагрева до требуемой температуры заготовки последовательно вынимают и деформируют. После обработки всей партии заготовок в печь загружают следующую садку.
Рисунок 3.3 – Схема камерной печи: I – под; 2 – кожух; 3 – стенки; 4 – свод;
5 – окно; 6 – канал; 7 – форсунки; 8 – заслонка
Печь cостоит из металлического каркаса 2, выложенного внутри огнеупорным кирпичом из шамота. В боковой стенке расположено окно 5 для загрузки и разгрузки печи; оно закрывается массивной чугунной заслонкой 8.
Сжигание топлива (мазут, горючий газ, пылевидный кокс) производится при
помощи горелок или форсунок 7. Раскаленные газы, отдавшие тепло металлу,
размещенному на поду I, уходят через канал 6.
При ручной ковке мелких заготовок в полевых условиях применяют горны. Горны отличаются от нагревательных печей небольшими размерами, отапливаются каменным углем или коксом; металл нагревается в них при непосредственном контакте с топливом.
Прогрессивным способом нагрева является электрический. Основные виды электронагрева: индукционный, контактный и в печах сопротивления.
Сущность индукционного нагрева состоит в том, что через индуктор —
катушку из витков медной трубки, в которой циркулирует вода для охлаждения, пропускается переменный ток повышенной или промышленной частоты.
Вокруг витков катушки возникает переменное магнитное поле, которое создает
в стальной заготовке, помещенной в индуктор, вихревые токи, быстро нагревающие металл до требуемой температуры.
42
При контактном нагреве к концам заготовки через медные контактызажимы подводят переменный ток силой в десятки тысяч ампер, напряжением
от 2 до 15 вольт.
Электропечи сопротивления оборудованы металлическими спиралями из
нихромовой ленты или карборундовыми нагревателями, через которые пропускают ток. Тепло от нагревателей передается заготовкам атмосферой и стенками
печи. В таких печах температура не превышает 1000 0С, их применяют для
нагрева заготовок из цветных металлов и сплавов.
3.3 Прокатка
Сущность процесса. Прокаткой называется процесс деформации металла путем обжатия его между двумя вращающимися валками. При этом происходит уменьшение толщины заготовки (обжатие), увеличение ширины (уширение) и увеличение длины (вытяжка). Прокатка является одним из самых производительных способов ОМД и применяется преимущественно для получения
стандартных заготовок и полуфабрикатов для дальнейшей их обработки.
В настоящее время прокатке подвергаются до 80% всей выплавляемой
стали и около 50% цветных сплавов. Заготовки, полученные прокаткой, находят широкое применение в промышленности. Прокаткой изготовляют листы
броневой защиты, заготовки для осей, подавляющее большинство заготовок для
изготовления деталей ковкой, штамповкой, сваркой, резанием.
Выделяют три основных вида прокатки: продольную, поперечную и поперечно-винтовую.
Рисунок 3.4 – Основные виды прокатки:
1 – валки; 2 – заготовка; 3 – оправка (игла)
При продольной прокатке (рисунок 3.4, а) заготовка 2 деформируется
между валками 1, вращающимися в разные стороны, и перемещается перпендикулярно к осям валков.
При поперечной прокатке (рисунок 3.4, б) валки 1, вращаясь в одном
направлении, придают вращение заготовке 2 и деформируют ее.
43
При поперечно-винтовой (косой) прокатке (рисунок 3.4, в) валки расположены под углом и сообщают заготовке при деформировании вращательное и
поступательное движения.
Для осуществления процесса прокатки необходимо выполнить определенные условия (рисунок 3.5, а). Заготовка подается в валки с некоторой силой
Q, которая вызывает со стороны валков нормальные реакции P и силу трения T.
Угол α называется углом захвата, а дуга AB — дугой захвата. Спроектировав
силы P и T на горизонтальную ось, получим:
Рисунок 3.5 – Схема продольной прокатки:
а – момент захвата заготовки валками;
б – установившийся процесс
P·sinα – сила, стремящаяся вытолкнуть заготовку из валков;
T·cosα – сила, втягивающая заготовку в валки.
Очевидно, что валки захватят заготовку, если Р·sinα < T·cosα.
Сила T = P·f, где f – коэффициент трения.
Окончательно условие захвата будет иметь вид
sinα < f cosα или f > tgα,
то есть для захвата заготовки валками коэффициент трения должен быть
больше тангенса угла захвата. Угол захвата можно выразить через геометрические размеры валков и заготовки (рисунок 3.5, б):
H h
cos   1 
.
D
Угол захвата колеблется от 3–40 (гладкие шлифованные валки) до 30–350
(грубые валки с насечкой). Очевидно, что для работы с большими обжатиями
(черновая обработка) нужно использовать грубые валки, а отделочную обработку вести на гладких валках с малыми обжатиями.
Сортамент проката. В нашей стране почти все изделия, изготавливаемые прокаткой, стандартизованы. В стандартах приведены размеры, площадь
поперечного сечения и масса погонного метра профиля. Для балок, швеллеров
и уголков дополнительно стандартизированы: момент сопротивления, момент
инерции, радиус инерции.
44
Совокупность различных профилей с разными размерами называется
сортаментом проката.
Сортамент прокатываемых профилей разделяется на четыре основные
группы: сортовой, листовой, трубный и специальный.
Сортовой прокат условно делят на простой (круг, квадрат, шестигранник, прямоугольник) и фасонный (тавр, двутавр, рельс, уголок, швеллер и др.).
Круглую и квадратную сталь прокатывают соответственно с диаметром или
стороной квадрата 5–250 мм; шестигранную — с диаметром вписанного круга
6–100 мм; полосовую — шириной 10–200 мм и толщиной 4–60 мм. Цветные
металлы и их сплавы прокатывают преимущественно на простые профили.
Листовой прокат разделяют на тонколистовой (толщиной до 4 мм) и
толстолистовой (толщиной 4–160 мм). Листы толщиной менее 0,2 мм называют
фольгой. Расширяется производство листовой стали с оловянным, цинковым,
алюминиевым и полимерным покрытиями.
Трубы разделяют на бесшовные и сварные. Бесшовные трубы прокатывают диаметром 30–650 мм с толщиной стенки 2–160 мм, а сварные — диаметром
5–2500 мм с толщиной стенки 0,5–16 мм.
К специальным видам проката относят колеса, кольца, шары, профили с
периодически изменяющимися формой и площадью поперечного сечения вдоль
оси заготовки.
Примеры профилей сортового проката показаны на рисунке 3.6.
Рисунок 3.6 – Некоторые профили сортового проката:
а – простого, б – фасонного профиля
Инструмент для прокатки. Инструментом для прокатки являются валки.
Валки бывают: гладкие (рисунок 3.7, а) — для прокатки листов, лент; ступенчатые — для прокатки полосы и ручьевые (рисунок 3.7, б) — для получения сортового проката.
Валки состоят из следующих элементов: бочки 1 (рабочая часть валка),
шейки (цапфы) 2 и трефы 3.
45
Рисунок 3.7 — Прокатные валки
Вырез на боковой поверхности валка называется ручьем. Ручьи верхнего
и нижнего валков в совокупности образуют калибр.
Сложные профили проката получают последовательными пропусками
металла через серию калибров; для рельсов число калибров (пропусков) обычно
равно 9, для балок от 9 до 13, для проволоки от 15 до 19. Калибры могут быть
расположены на одной паре валков (при малом количестве), на нескольких парах валков (рисунок 3.7, б) или даже на нескольких прокатных станах (при прокатке сложных профилей). Комплект валков вместе со станиной называется рабочей клетью.
Прокатные станы. Оборудование, на котором прокатывается металл,
называется прокатным станом. Прокатный стан состоит из одной или нескольких рабочих клетей, передаточного механизма и двигателя. Кроме того,
современные прокатные станы оснащены вспомогательными механизмами для
механизации процесса прокатки.
По числу и расположению валков в рабочей клети различают следующие
группы станов:
дуо - станы — с двумя валками в каждой клети: нереверсивные, имеющие постоянное направление вращения, и реверсивные, в которых металл можно пропускать в обе стороны;
трио - станы — с тремя валками в каждой клети. В одну сторону заготовку пропускают между нижним и средним, а другую — между средним и
верхним валками;
многовалковые — с четырьмя (кварто-станы), шестью (сексто-станы) и
большим (до 20) количеством валков. Рабочими являются только два валка,
остальные — опорные;
универсальные — имеющие не только горизонтальные, но и вертикальные
валки.
По назначению прокатные станы делятся на следующие виды:
обжимные, служащие для предварительного обжатия слитков в крупные
заготовки. К ним относятся блюминги и слябинги. Блюминг представляет собой
мощный реверсивный дуо-стан; на нем производят квадратную заготовку
(блюм), подвергаемую дальнейшей прокатке для получения сортовых профи46
лей. Слябинг — мощный универсальный двухклетьевой стан (первая клеть имеет вертикальные валки, вторая — горизонтальные), предназначен для получения прямоугольного проката (слябов), представляющего собой заготовки для
листа;
заготовочные станы предназначены для проката блюмов и слябов в сортовую квадратную заготовку и плоскую заготовку (сутунку) сечением меньше,
чем слябы. Эти заготовки используют для последующей прокатки в мелкие листы и ленту;
рельсобалочные станы — для прокатки рельсов, крупных балок, швеллеров и других профилей;
сортовые станы предназначены для получения сортового проката. Делятся на крупно-, средне- и мелкосортные;
листопрокатные станы;
трубопрокатные станы служат для производства бесшовных и сварных
труб. На рисунке 3.8 показана схема прошивки отверстия в сплошном материале при получении заготовки трубы. В качестве исходной заготовки используют
круглый прокат. Прошивной стан имеет два рабочих валка диаметром 450–1000
мм с двойной конусностью. Оси валков в вертикальной плоскости наклонены
друг к другу под углом 4–140. Оба валка вращаются в одном направлении.
Благодаря косому расположению валков заготовка получает одновременно вращательное и поступательное движение (то есть используется принцип
поперечно-винтовой прокатки).
Рисунок 3.8 – Схема прошивки заготовки трубы
Каждая точка деформируемой части заготовки 3 совершает винтовое
движение, причем с различной скоростью, которая увеличивается по мере приближения к калибровочному пояску. В результате сложной пластической деформации металл течет в радиальном направлении от центра; сердцевина разрыхляется и образуется внутренняя полость с неровными стенками. Для получения отверстия нужного диаметра и с гладкой поверхностью прокатку ведут с
применением оправки – пробки 2.
После прошивки полученные гильзы раскатывают в горячем состоянии
на раскатных станах с применением цилиндрической оправки.
47
3.4 Волочение
Волочением называется процесс ОМД, заключающийся в протягивании
исходной заготовки через очко специального инструмента — волоку, имеющую
рабочее отверстие меньше, чем поперечное сечение заготовки. При этом площадь поперечного сечения заготовки уменьшается, а длина ее увеличивается.
Коэффициент вытяжки подсчитывается по формуле:

F
l
 o .
lo
F
Величина µ в первых и последних проходах составляет 1,15–1,25, при
промежуточных — до 1,45.
Волочением получают проволоку диаметром от 0,002 до 6 мм, трубы от
капиллярных до 200 мм в диаметре, калиброванные прутки разных размеров и
профилей (рисунок 3.10, б). Изделия отличаются высокой точностью и качеством поверхности, повышенными прочностными свойствами. Это объясняется
тем, что волочение осуществляется в холодном состоянии.
Схемы волочения показаны на рисунке 3.9. Передний конец исходной заготовки перед волочением заостряется с тем, чтобы он прошел через отверстие
волоки и его можно было захватить тянущим устройством. Для уменьшения
трения при волочении применяют обильную смазку, различные предварительные покрытия заготовок, например, меднение, которое снижает коэффициент
трения, а также предохраняет поверхность от задирания.
Напряжение волочения  z 
P
должно быть меньше предела текучести
F
σТ материала, иначе выходящий из волоки пруток будет утрачивать форму и
размеры, полученные в отверстии волоки, то есть σz<σТ. Для волочения без обZ
рывов принимается
=1,25–2,5.
Т
Рисунок 3.9 – Схемы волочения: а – прутка; б – трубы на длинной оправке;
в – трубы на плавающей оправке
Инструментом для волочения служат волочильные доски и волоки (фильеры). Волока (или фильер) представляет собой кольцо (рисунок 3.10, а), рабо48
чее отверстие которого состоит из входного конуса 1, деформирующей зоны 2,
калибрующего пояска 3 и выходного конуса 4.
Рисунок 3.10 – Разрез волоки (а) и примеры профилей,
полученных волочением (б)
Материалом для них служат инструментальные стали У7, У12, XI2M,
твердые сплавы ВК3, ВК6 и другие. Отверстия в волоках из твердых сплавов
изготовляются электроискровым методом. Полировка отверстий производится
на станках с помощью специальных игл и абразивных порошков. Волоки для
проволоки диаметром менее 0,2 мм изготовляют из технических и естественных алмазов.
Технологический процесс волочения состоит из следующих операций: 1)
предварительный отжиг заготовок для получения мелкозернистой структуры
металла (сорбит) и повышения его пластичности; 2) травление заготовок в подогретом растворе серной кислоты для удаления окалины; 3) промывка заготовок и нейтрализация травильного раствора; 4) заострение концов заготовок в
ковочных вальцах; 5) волочение; 6) отжиг для устранения наклепа; 7) отделка
готовой продукции (обрезка концов, правка, резка на мерные длины).
Оборудование для волочения называют волочильными станами. В основном применяются два типа станов: цепные и барабанные. Цепные станы (рисунок 3.11) строятся с тянущим усилием до 200 тонн; на них можно протягивать
прутки диаметром до 150 мм и длиной до 30 м.
Рисунок 3.11 – Схема цепного волочильного стана
На станине 1 находятся каретка 6 и два цепных барабана 2 и 4. Барабан 4
приводится во вращение от электромотора через редуктор. На барабаны наки49
нута бесконечная шарнирно-пластинчатая цепь 3. Каретка 6 крюком связана с
цепью и имеет устройство для захвата заготовки — тиски или клещи 8. К передней стойке прикрепляется инструмент 9.
Барабанные волочильные станы применяются для таких профилей, которые могут наматываться на барабан; это прежде всего относится к проволоке.
Для волочения проволоки применяют станы многократного волочения, число
волок которых достигает 20 и даже более. Волоки располагаются в ряд по
уменьшающемуся сечению. После каждой волоки установлен барабан, который
обладает тянущим устройством и одновременно является вертушкой, подающей проволоку для волочения через следующую волоку. Проволока с одного
барабана сматывается, а на другой наматывается. На последний барабан проволока только наматывается (рис. 3.12).
Рисунок 3.12 – Схема барабанного волочильного стана:
1 – катушка; 2 – волоки; 3 – тяговые шайбы; 4 – приемный барабан
3.5 Ковка
Сущность и области применения ковки. Ковка — процесс деформирования горячей заготовки между бойками молота или пресса. При этом течение
металла происходит в направлениях, не ограниченных поверхностями инструмента, поэтому ее называют свободной. Ковкой достигается не только требуемая форма поковок, но и значительно улучшаются ее первоначальные свойства
и структура.
Свободная ковка применяется в мелкосерийном и индивидуальном производстве, особенно широко в ремонтных условиях, когда создание сложных и
дорогих штампов экономически нецелесообразно. Кроме того, свободная ковка
является практически единственным способом изготовления тяжелых поковок
типа валов электрогенераторов, осей и штанг, клиньев, тормозов и других.
Исходной заготовкой при ковке служат слитки массой до 350 тонн (для
крупных поковок), блюмы и сортовой прокат (для средних и мелких).
50
Ковка делится на ручную и машинную. Ручная ковка применяется для
ремонта вооружения в полевых условиях. В состав подвижных ремонтных органов входит кузнечный пост для обработки поковок массой до 2 кг (нагревательный горн, наковальня и кузнечный инструмент). Машинная ковка, осуществляемая на кузнечно-прессовом оборудовании, является основным методом, применяемым на заводах основного производства.
К преимуществам ковки по сравнению с другими способами ОМД относятся: ее универсальность в отношении массы, формы и размеров заготовки;
отсутствие затрат на дорогостоящую технологическую оснастку; возможность
использования маломощных машин-орудий благодаря концентрированному
приложению усилий ковки бойками в небольшом объеме деформируемого металла.
Величина деформации при ковке оценивается коэффициентом укова
y = F0/F1, где F0 и F1 - площадь поперечного сечения заготовки до и после деформации. Чем металл лучше прокован (т.е. чем больше уков), тем выше качество металла. Практикой установлено, что при ковке конструкционных и специальных сталей величина укова должна быть не менее 3–5.
Технологические операции ковки. Получение любой поковки возможно последовательным применением элементарных операций: осадки, протяжки,
раскатки, закручивания, гибки, рубки, прошивки и некоторых других. Основные технологические операции свободной ковки показаны на рисунке 3.13.
Рисунок 3.13 – Основные операции ковки
Осадка — увеличение площади поперечного сечения заготовки за счет
уменьшения ее высоты. Разновидностью осадки является высадка — местная
осадка для получения утолщений, головок болтов, фланцев и т.п.
Протяжка — удлинение заготовки за счет уменьшения поперечного сечения. Разновидности: вытяжка на оправке и раскатка на оправке — для обработки полой поковки, например, заготовки штанги.
51
Гибка — придание заготовке изогнутой формы по заданному контуру.
Закручивание — поворот части поковки вокруг продольной оси (изготовление коленвалов, сверл и т.п.).
Рубка — отделение одной части заготовки от другой или удаление излишков металла (вырубка).
Прошивка — получение отверстий в сплошной заготовке.
Ковка в подкладных штампах применяется при изготовлении партии
одинаковых поковок небольших размеров (гаечные ключи, болты и т.п.).
Инструмент для ковки. Технологический процесс ковки осуществляется
при помощи различных инструментов и приспособлений. Кузнечный инструмент делится на основной, вспомогательный и мерительный.
К основному относится инструмент (рисунок 3.14), с помощью которого
заготовке придается требуемая форма: а) бойки — плоские, скругленные и вырезные; б) обжимки — для отделочных операций; в) раскатки — для создания
углублений и для расплющивания; г) топоры — для рубки и вырубки; д) прошивки — для прошивания отверстий.
Вспомогательный — инструмент для захвата, перемещения и вращения
заготовки (клещи, патроны, воротки, лебедки и т.п.).
Мерительный — инструмент для контроля размеров и формы поковок
(кронциркули, линейки, угольники, шаблоны и пр.).
Рисунок 3.14 – Основной кузнечный инструмент
Ковочное оборудование. Машины для свободной ковки делятся на две
группы: динамического действия (молоты) и статического действия (прессы).
Молоты деформируют металл ударом. Основными видами молотов, применяемых в настоящее время для ковки, являются пневматические и паровоздушные. Достоинством молотов является лучшее качество поверхности поковок, так как при ударах хорошо отбивается окалина. Однако молоты большой
52
мощности сильно сотрясают почву, требуют мощных фундаментов, создают
большой шум. Поэтому на молотах куют поковки массой не более 1–5 тонн.
Прессы приводятся в действие с помощью жидкости (воды, масла) и развивают усилия до 10000 тонн. На этих прессах можно ковать поковки массой до
250 тонн и более. Достоинством прессов являются: большие мощности, бесшумность работы, высокий КПД.
Разработка технологического процесса ковки включает:
 Составление чертежа поковки по чертежу детали с учетом припусков
на последующую обработку, допусков и, в случае необходимости, напусков.
 Расчет размеров и массы заготовки по номинальным размерам, обозначенным на чертеже поковки. Объем заготовки из проката определяется по
формуле
Vзаг =Vпок+Vобс+Vуг,
В среднем можно принимать (Vобс+Vуг) равными 10–12% от объема заготовки.
 Выбор кузнечных операций и установление их последовательности с
указанием основного, вспомогательного и мерительного инструмента.
 Установление режима нагрева и выбор нагревательного устройства.
 Выбор кузнечного оборудования и его мощности.
3.6 Штамповка
По видам штамповка делится на: а) горячую и холодную; б) объемную и
листовую. Объемная штамповка может быть горячей и холодной (для окончательного придания точности формы и размеров), а листовая – как правило, производится только в холодном состоянии.
Объемная штамповка (ковка в штампах) - процесс деформирования заготовки в стальных формах — штампах.
При объемной штамповке течение металла ограничивается поверхностями полостей штампа. При смыкании штампа металл заполняет полость (ручей),
и образуется изделие — поковка (рисунок 3.15).
Рисунок 3.15 — Схема штамповки в одноручьевом штампе:
1, 2 — верхняя и нижняя части штампа; 3 — заготовка; 4 — поковка
53
Объемная штамповка нашла широкое применение в производстве артиллерийского вооружения. Более 20% всех деталей артиллерийского орудия получают объемной штамповкой (детали полуавтоматики, ударноспусковых механизмов стрелкового оружия, детали боеприпасов, рычаги, вилки, шестерни и
др.). Получаемые поковки имеют точность 9–11 квалитетов и шероховатость
Rz=40–10 мкм.
По сравнению со свободной ковкой объемная штамповка имеет ряд преимуществ: 1. Высокая производительность — в десятки раз больше, чем при
свободной ковке. 2. Однородность и точность получаемых поковок. Допуски
при горячей штамповке в 3–4 раза меньше, чем при свободной ковке. После холодной калибровки допуски могут достигать ±0,1мм и даже ±0,05 мм, а качество поверхности можно получить такое, что не требуется в ряде случаев обработки резанием. 3. Возможность получения деталей очень сложной формы, совершенно не поддающихся изготовлению свободной ковкой без напусков. 4.
Необходимая квалификация рабочей силы при изготовлении деталей штамповкой значительно ниже, чем при свободной ковке.
Штамповке свойственны и некоторые недостатки:
1. Ограниченность штампованных изделий по массе. В настоящее время
преимущественно штамповкой изготавливают изделия массой до 100 кг, однако
штамповочное производство непрерывно развивается в направлении увеличения массы поковок. Иногда изготовляют поковки массой до 2 тонн.
2. Высокая стоимость штампа, который в отличие от универсального инструмента свободной ковки является узкоспециализированным, то есть годным
для изготовления только одной определенной поковки. Поэтому штамповка выгодна лишь в серийном и массовом производстве.
В качестве исходного материала применяется сортовой прокат, прессованные прутки, литая заготовка. В крупносерийном производстве часто применяется прокат периодического профиля, что сокращает подготовительные операции.
Штамповка может быть облойная (с заусенцем) и безоблойная (без заусенца).
Облойная штамповка отличается тем, что поковка по месту разъема
штампа имеет заусенец (облой). Заусенец получается потому, что в штампе
имеется специальная канавка вокруг ручья для помещения избытка металла
(облоя). При этом полость штампа хорошо заполняется металлом, так как объем
заготовки берется больше объема ручья штампа. Такие штампы называются открытыми (рисунок 3.16). Облойный способ, несмотря на потери металла, получил большое распространение, так как в этом случае надежно обеспечивается
54
заполнение полостей штампа, а объем заготовки может быть лишь приблизительно равен необходимому. По окончании штамповки облой удаляется на обрезных штампах.
Безоблойная штамповка производится в закрытом штампе. Заготовка помещается в полость одной части штампа, а другая часть входит в первую как в
направляющую. Преимущества: экономия металла, нет необходимости в дополнительной операции – обрезке заусенца. Однако в этом случае требуется
строгое равенство объема заготовки объему полости штампа, иначе при излишке металла штамп не закроется, а при недостатке – будет неполное заполнение
полости штампа.
Рисунок 3.16 – Схема облойной штамповки в открытом штампе:
1,2 – части штампа; 3 – заготовка; 4 – заусенец (облой);
5 – канавка для облоя
В зависимости от сложности получаемого изделия и вида применяемой
заготовки штамповка может быть одноручьевой или многоручьевой.
При многоручьевой штамповке заготовка штампуется последовательно в
нескольких ручьях. Каждый ручей имеет определенное назначение, и их разделяют на следующие виды:
1. Штамповочные: чистовой (окончательной) и предварительный (черновой).
2. Заготовительные: протяжной, подкатной, формовочный, гибочный.
3. Отрезной (нож).
Окончательный ручей имеется во всяком штампе; остальные ручьи применяются в тех или иных комбинациях в зависимости от конфигурации поковки.
Окончательный ручей служит для получения готовой поковки и представляет собой точное отображение последней, но с размерами, большими на
55
величину усадки металла. Вокруг открытого чистового ручья имеется канавка
для заусенца.
Предварительный ручей служит для снижения износа окончательного ручья и придания заготовке формы, близкой к заданной. Отличается от чистового
несколько большими штамповочными уклонами и отсутствием канавки для облоя.
Заготовительные ручьи используют для первоначальной обработки с целью постепенного приближения формы заготовки к форме готового изделия.
Формовочный ручей служит для придания заготовке формы, соответствующей форме поковки в плоскости разъема.
Пережимной ручей используют в тех случаях, когда нужно создать местное уширение за счет незначительного перераспределения металла вдоль оси.
Подкатной ручей служит для значительного увеличения одних поперечных сечений за счет уменьшения других, то есть для перераспределения объема
металла вдоль оси заготовки.
Протяжной ручей используется для увеличения длины отдельных участков заготовки за счет изменения их поперечных размеров, когда длина заготовки меньше длины поковки.
Гибочный ручей служит для изгиба заготовки и придания ей формы, соответствующей форме поковки в плоскости разъема. В следующий ручей заготовку передает с поворотом на 900 вокруг ее оси.
Отрезной ручей применяют, когда нужно отделить поковку от прутка,
при удалении клещевины, при разрубке поковок на части.
На рисунке 3.17 показан многоручьевой штамп. Нагретая исходная заготовка вначале поступает в протяжной ручей 2, в котором протягивают ее середину, потом заготовку обрабатывают в подкатном ручье 1 с целью набора металла на концах, после чего передают в гибочный ручей 4 и затем штампуют в
предварительном и окончательном 3 ручьях штампа.
Штампы для горячей штамповки работают в очень тяжелых условиях.
Поэтому штамповая сталь должна обладать высокими механическими свойствами: прочностью, ударной вязкостью, твердостью и сохранять эти свойства
при повышенных температурах. Кроме того, нужны износостойкость и хорошая
обрабатываемость резанием. Штампы изготавливают из специальных сталей
5ХНМ, 5ХГМ, 5ХНТ, Х12Ф, Х12М и др.
56
Рисунок 3.17 – Многоручьевой молотовой штамп
Штамповка так же, как и ковка может производиться на молотах и прессах.
Достоинства молотов: большая универсальность, меньшая стоимость
оборудования, хорошо отделяется окалина от удара.
Достоинства прессов: повышенная точность из-за отсутствия ударной
нагрузки; большая производительность за счет того, что штамповка осуществляется за один ход ползуна, а не за несколько ударов на молоте; большая безопасность работы и отсутствие сотрясений почвы; ниже требуемая квалификация рабочего.
Листовая штамповка — способ изготовления тонкостенных изделий из
листового материала, ленты или полосы с помощью штампов. Листовой штамповкой обрабатывают все технические металлы и их сплавы, картон, пластмассы, кожу и другие материалы. Очень много разнообразных по конфигурации
деталей можно получить, совмещая в технологическом процессе листовую
штамповку и сварку. Так получают детали различных изделий машиностроения
направляющие машин, корпуса сложной формы, бензобаки, баллоны, картеры,
поддоны и т.д.
Характерным для листовой штамповки является то, что толщина стенок
деталей обычно мало отличается от толщины исходной заготовки.
В зависимости от толщины заготовки штамповку делят условно на тонколистовую (до 4 мм) и толстолистовую (свыше 4 мм).
Широкое распространение листовой штамповки объясняется тем, что
этот процесс дает возможность: 1. Обеспечить очень высокую производительность (до 30 000–50 000 деталей в смену с одного штампа). 2. Механизировать и
автоматизировать штамповочные работы, что облегчает труд рабочего. 3.
57
Обеспечить достаточно высокую точность деталей, а следовательно их взаимозаменяемость. 4. Получить детали с хорошим качеством поверхности.
Все разнообразные по форме и размерам детали получают, применяя поочередно отдельные элементарные операции. Операции листовой штамповки
можно разделить на две группы: разделительные, в которых одну часть заготовки отделяют от другой (отрезка, вырубка, пробивка) и формоизменяющие, в
которых происходит перемещение одной части заготовки относительно другой
без разрушения (гибка, вытяжка, формовка, обжим, отбортовка, закатка, правка
и некоторые другие). Рассмотрим основные из этих операций.
Отрезка — отделение части заготовки по незамкнутому контуру. Осуществляется на ножницах с параллельными ножами, гильотинных и дисковых.
Вырубка — отделение части заготовки по замкнутому контуру, причем
отделяемая часть является изделием (рисунок 3.18, а). Пробивка — отделение
части заготовки по замкнутому контуру, причем отделяемая часть является отходом. Эти две операции, отличающиеся только по назначению, осуществляются при помощи штампа, состоящего из пуансона I и матрицы 2.
Гибка — придание плоской заготовке изогнутой формы по заданному
контуру. (рисунок 3.18, б)
Отбортовка — образование борта (горловины) по внутреннему или
наружному контуру листовой заготовки. (рисунок 3.18, в)
Вытяжка — образование полой детали из плоской заготовки (рисунок
3.18, г). Во избежание образования складок осуществляют вытяжку с прижимом. Если за одну вытяжную операцию изделие получить невозможно, применяют несколько последовательных вытяжек. Между операциями производят
отжиг, травление для снятия окалины, промывку и сушку.
Сущность операций обжима и раздачи ясна из рисунка 3.18, д, е.
Формовка — операция, дающая местное изменение формы. Формовку
применяют при изготовлении ребер жесткости средней части полого изделия и
т.п. Формовку осуществляют с помощью резиновых вкладышей, жидкости,
взрывом и т.д. Некоторые схемы формовки показаны на рисунке 3.19.
В качестве машин — орудий при листовой штамповке применяют различные прессы — кривошипные, фрикционные, гидравлические.
Все прессы можно разделить на прессы простого и двойного действия.
У прессов простого действия имеется только один ползун, на котором
укрепляется пуансон. Такие прессы используются для вырубки, прошивки, гибки и простой вытяжки.
58
Прессы двойного действия имеют два ползуна. Наружный ползун обеспечивает прижим листовой заготовки, внутренний главный ползун выполняет основную операцию штамповки (вытяжку, гибку или формовку).
Основным инструментом при листовой штамповке является штамп, который состоит из рабочих элементов (пуансона и матрицы) и ряда вспомогательных устройств (рисунок 3.20).
Пуансон крепится к ползуну пресса, матрица — на столе. Чтобы обеспечить совпадение осей матрицы и пуансона, перемещение верхней плиты выполняют по направляющим втулкам. Во многих штампах имеются съемники,
выталкиватели и другие устройства. Для направления подаваемого в матрицу
металла используют направляющие планки.
Рисунок 3.18 – Операции листовой штамповки:
а – вырубка и пробивка; б – гибка; в – отбортовка; г – вытяжка;
д – обжим; е – раздача
Рисунок – 3.19 – Схемы формовки:
а – резиной; б – жидкостью (газами); б – взрывом.
59
Рисунок 3.20 – Штамп для вырубки:
1 – пуансон; 2 – направляющие колонки; 3 – матрица;
4 – планки; 5 – упор; 6 – съемник.
3.7 Ротационное обжатие
Ротационным обжатием (редуцированием) называют способ формообразования давлением сплошных и полых деталей — тел вращения переменного
сечения вдоль оси. Редуцирование методом ротационного обжатия осуществляется как в горячем, так и в холодном состоянии. По сравнению с обработкой резанием метод ротационного обжатия имеет значительные преимущества, так
как обеспечивает экономию металла на 5–25%, повышает производительность в
20–30 раз и повышает исходные прочностные показатели до 50%.
Ротационное обжатие осуществляется на специальных ротационнообжимных машинах. Схема головки одношпиндельной ротационно-обжимной
машины с одной парой матриц показана на рисунке 3.21, а, б, а общий вид на
рисунке 3.21, в. Головка, закрепленная неподвижно в корпусе станины, имеет в
передней части отверстие, в которое запрессовано закаленное кольцо. Между
кольцом и шпинделем 3 помещена обойма 4 с четным числом роликов 2. Боковые поверхности роликов частично выступают со стороны внутренней поверхности обоймы. Шпиндель 3, вращающийся с определенной скоростью, имеет
диаметральный паз, по которому бойки с матрицами 5 совершают возвратнопоступательные движения в радиальном направлении.
Движение матриц от центра происходит за счет центробежной силы, а к
центру (рабочее движение) — от давления роликов 2, установленных в обойме
4 на ролики 1. При движении к центру матрицы рабочими поверхностями деформируют металл заготовки 6.
60
Рисунок 3.21 – Схема ротационно-обжимной машины
Теоретическое число обжатий в минуту N определяют по формуле
N = n·k,
где n – число оборотов матриц в минуту; k – число роликов в обойме.
Заготовка подается в матрицы, коническая часть которых обжимает передний конец ее в течение нескольких последовательных ударов. После каждого совместного удара (обжатия) в момент, когда матрицы находятся в разжатом
положении, следует осевое движение подачи заготовки. Величина подачи зависит от диаметра заготовки, степени деформации и свойств материала заготовки.
При изготовлении небольшого числа деталей, деформируемых с малыми
обжатиями, подача заготовок осуществляется вручную, длинные же заготовки
подаются автоматически, для чего в ротационно-обжимной машине предусматривается специальное приспособление. Отсутствие огранки при редуцировании
цилиндрического сечения обеспечивается большим числом наносимых ударов в
минуту.
Точность размеров при редуцировании соответствует 6–8 квалитетам, а
шероховатость поверхности — Rz = 2,5–0,8 мкм.
Целесообразно использовать экстремальные эффекты изменения прочности и пластичности в гетерофазных металлических системах при термомеханических воздействиях и в предпереходных состояниях для оптимизации режимов ресурсосберегающих способов их обработки (НИР №1840, задание
№2014/389 Мин. обр. науки РФ).
61
4 ТЕХНОЛОГИИ ПОРОШКОВОЙ МЕТАЛЛУРГИИ
Порошковая металлургия — отрасль технологии, занимающаяся изготовлением материалов и деталей из металлических порошков.
Порошковая металлургия позволяет получать материалы и детали, обладающие высокой жаропрочностью, износостойкостью, стабильными магнитными свойствами, полупроводниковые материалы, материалы, не смешивающиеся в расплавленном виде и не образующие твердых растворов, пористые
материалы, материалы высокой чистоты, заданного химического состава и др.
Методами порошковой металлургии зачастую могут быть получены детали, которые получают и литьем, но при этом потери значительно меньше: 3–
7%, тогда как при литье они достигают 50–80%. Механические свойства полученных изделий незначительно уступают свойствам литых и кованых изделий.
Изделия, полученные порошковой металлургией, по точности размеров и шероховатости поверхности не требуют дополнительной обработки.
Сущность способа заключается в спекании при высокой температуре
специально подготовленного брикета. Брикет получают прессованием металлических порошков под давлением. По форме и размерам брикет представляет
собой будущую деталь.
Металлические порошки получают двумя основными методами: механическим (размол в шаровых или вихревых мельницах) и физико-химическим
(восстановление из окислов, электролиз и др.)
Технологический процесс металлокерамики складывается из следующих
операций: 1) приготовление шихты требуемого состава; 2) дозирование; 3)
формование детали; 4) спекание; 5) калибровка.
Сначала порошки очищают химическим, гидромеханическим или магнитным способами, затем проводят измельчение для выравнивания зернистости
в шаровых мельницах. Возникающий при этом наклеп снимают отжигом в защитной атмосфере. Далее шихту просеивают и смешивают в вибрационных или
барабанных смесителях.
Полученную шихту дозируют по массе или по объему.
Формование (получение брикета заданной формы и размеров) осуществляют путем прессования в стальных пресс-формах, реже прокаткой (для получения листа, полосы или ленты). Прессование осуществляют на механических и
гидравлических прессах, жидкостью через пластичную оболочку, взрывом и
т.д. В зависимости от размеров детали применяют одностороннее или двухстороннее (рисунок 4.1) прессование.
Рисунок 4.1 – Схема двухстороннего пресссвания
сердечника бронебойного снаряда
62
Спекание отформованных брикетов (деталей) производят в водородных
или вакуумных печах при температуре tсп=(0,7–0,8)tпл, 0С, где tпл – температура
плавления основного компонента шихты.
В результате спекания происходит настолько прочное сцепление частиц
порошка (вследствие диффузии), что отдельные частицы порошка как бы перестают существовать самостоятельно. В результате спекания происходит: а)
упрочнение и изменение физико-химических свойств, вследствие изменения
величины и качества контактных участков; б) изменение размеров детали
(усадка или рост); в) изменение микроструктуры (рост зерен и др.).
Время спекания составляет 0,5–6 часов. Горячее прессование, заключающееся в одновременном прессовании и спекании, сокращает время в 20–30 раз,
производится при более низкой температуре и давлении, чем спекание. Однако
недостатком горячего прессования является малая стойкость пресс-форм.
Калибровка в специальных пресс-формах (после спекания) при давлениях
до 1000 МПа повышает точность до 8–10 квалитетов и снижает шероховатость
поверхности до Rz= 10–3,2 мкм. После калибрования на поверхность детали
можно наносить любое гальваническое или другое покрытие. Размеры калибровочных пресс-форм должны отличаться от номинальных размеров детали на
величину упругого последействия, составляющего 0,11–0,12%.
Рассмотренная технология нашла самое широкое применение в промышленности, в том числе и при производстве и ремонте вооружения. Так получают
весь твердосплавный режущий инструмент (из смеси порошков карбидов вольфрама, титана, тантала и связки — кобальта); жаропрочные спеченные алюминиевые порошки (САП) и сплавы (САС); спеченные ленту и проволоку для
наплавки при восстановлении деталей вооружения; пористые спеченные материалы с заданным размером пор для изготовления подшипников, фильтров и
т.п.; спеченные материалы с закрытыми порами (газонаполненные материалы),
сердечники бронебойных снарядов (из порошков карбидов тяжелых металлов)
и многое другое.
В состав спеченных материалов (их называют псевдосплавами) можно
включать неметаллические компоненты — графит, глинозем, карбиды, бориды,
придающие им особые свойства. Получить обычные (литые) сплавы с такими
свойствами невозможно. По такой технологии получают детали из ферритов,
альсиферов и других материалов.
В последнее время все шире порошковая металлургия применяется для
получения деталей из обычных конструкционных материалов (стали, чугуны,
цветные сплавы и т.п.). Это объясняется тем, что этой технологии свойственны
исключительно малые отходы. Так, при изготовлении сложных изделий по
обычной технологии (ковка) коэффициент использования металла не превышает 0,3–0,4, а по методу порошковой металлургии — он будет близок к 0,95.
63
4.1 Технологии получения порошковых
быстрорежущих сталей
Традиционная технология получения быстрорежущих сталей включает в
себя выплавку стали и последующую горячую обработку слитков (ковка слитков; обрезка концов заготовки; отжиг заготовки; шлифование заготовки; контроль заготовки; горячая прокатка; обрезка концов проката; отжиг проката;
шлифование; контроль заготовки; горячая прокатка; отжиг прутка; правка
прутка; контроль заготовок прутка) [175].
Горячая обработка позволяет уменьшить отрицательные последствия литья — снизить неоднородности распределения карбидов в готовом материале.
Высокая вторичная твердость и большие различия физико-механических
свойств отдельных фаз в быстрорежущих сталях затрудняют их горячую обработку и приводят к значительным потерям металла (до 50 % от массы литья),
поэтому они являются одним из самых дорогостоящих сортов сталей. Известно
[116], что стоимость производства быстрорежущих сталей примерно в 17 раз
выше стоимости производства углеродистой стали и примерно в четыре раза
выше стоимости производства коррозионно-стойкой хромоникелевой стали (в
настоящее время это различие еще увеличилось).
Необходимо отметить, что быстрорежущим сталям, полученным по традиционной технологии, присущ ряд недостатков, сдерживающих дальнейшее
развитие этого класса инструментальных материалов. Такими недостатками являются карбидная ликвация в слитке, не устраняемая полностью даже после
многократной пластической деформации и значительно снижающая технологическую пластичность заготовок, значительная деформация инструмента при
термической обработке, плохая шлифуемость и др. Поэтому совершенствование инструмента из быстрорежущей стали (оптимизация состава материала,
технология изготовления и др.) является одним из важных направлений повышения эффективности металлургического и машиностроительного производства в целом.
Производство быстрорежущей стали методами порошковой металлургии
позволяет исключить ряд названных выше недостатков и эффективно воздействовать на состав и свойства получаемого материала.
Методы порошковой металлургии включают в себя получение порошка с
размером частиц от 40 до 600 мкм посредством распыления жидкого металла
потоком газа под давлением 1...1,5 МПа или воды под давлением 3,5...5 МПа
[62, 109] и изготовление из него компактных заготовок различными способами
горячей пластической деформации [115, 121, 141, 189]. Основные способы получения инструмента из порошков быстрорежущих сталей приведены на рис.
4.2. По технологической схеме 1, в которой обработка давлением не применяется, получают заготовки неперетачиваемых или напайных пластин типа твердосплавных и заготовки фасонного инструмента с минимальными припусками
под шлифовку и заточку. По схемам 2..4, в которых используются различные
64
способы горячей пластической деформации, получают соответствующие виды
металлургических полуфабрикатов.
Наиболее распространена схема получения изделий из порошковой быстрорежущей стали, получившая название Asea-Stora процесса [189, 81]. В этом
случае распыленные газом порошки компактируют горячим изостатическим
прессованием при давлении 100...200 МПа и температуре 1000...1200 0С. Перед
горячим прессованием возможно использование холодного изостатического
прессования с усилием около 0,4 МПа, хотя получаемые таким образом прессовки имеют почти 100 %-ю плотность, их микроструктура несколько неоднородна — попадаются частицы
Рис. 4.2 Схемы (1...4) получения инструмента из порошков
быстрорежущих сталей
с недостаточно раздробленной карбидной сеткой. Последующая горячая пластическая деформация прессовок (ковка или прокатка) с суммарной степенью
деформации около 50 % увеличивает однородность микроструктуры и обеспечивает повышение механических свойств получаемой стали.
Отечественными и зарубежными исследованиями установлено, что методы порошковой металлургии позволяют получать быстрорежущие стали с однородной мелкодисперсной структурой и высокими механическими свойствами
[4, 115, 141]. Порошковая быстрорежущая сталь по сравнению с быстрорежущей сталью традиционного металлургического производства обладает следующими преимуществами:
обеспечивает более высокую стойкость режущего инструмента (в 1,5...2
раза);
изотропностью свойств и повышенной конструктивной прочностью;
более высоким уровнем технологических свойств (повышенной технологической пластичностью, незначительной склонностью к росту зерна и деформации при закалке, хорошей шлифуемостью, пониженной склонностью к скалыванию и микровыкрашиванию режущей кромки инструмента).
65
Порошковая металлургия быстрорежущей стали в нашей стране развивается по двум основным направлениям:
производство безвольфрамовых молибденовых сталей М6Ф1-МП,
М6Ф1К8-МП, М6ФЗ-МП, М6Ф2-МП или маловольфрамовых сталей типа
10Р2М9Ф2-МП, 11Р2М9К8-МП и др.;
производство высоколегированных вольфрамомолибденовых сталей
Р6М5ФЗ-МП, Р6М5К5-МП, Р6М5ФЗК8-МП, 10Р6М5-МП, Р12МЗФ2К8-МП, в
том числе и так называемых сверхбыстрорежущих сталей типа Р8М6Ф8К7-МП
и др.
Развитие производства по второму направлению требует большего расхода вольфрама, и других легирующих элементов, но зато при этом увеличивается количество карбидной фазы стали, возрастают вторичная твердость (до НЕД,
70), красностойкость и износостойкость (в 1,5...3 раза) режущего инструмента.
Экономия легирующих элементов в этом случае достигается при механической
обработке металлов за счет повышения стойкости инструмента [58, 114].
Рассмотрим несколько подробнее технологию получения порошковой
быстрорежущей стали 10Р6М5-МП. Она включает в себя следующие основные
операции: выплавку, получение порошка посредством распыления жидкого металла азотом, горячую экструзию порошка в капсулах и последующую термическую обработку заготовок (отжиг) с целью снижения твердости стали и
улучшения обрабатываемости ее резанием (рис. 4.3). Выплавка производится в
открытой индукционной печи под слоем шлака. Расход азота при распылении 1
кг жидкого металла составляет 0,6...1,0 м, а скорость охлаждения стали при
распылении – 10...105°С/с. Размер гранул порошка после распыления изменяется от 40 до 630 мкм, основу же его составляет, фракция с размером гранул
от 60 до 315 мкм. Гистограмма частот распределения размеров гранул порошка
стали 10Р6М5 - МП представлена на рис. 4.4. Для получения компактного металла капсулы с порошком подвергаются горячей, экструзии при температуре
1100...1140 °С со степенью их деформации 88% на прессе с усилием 63 МН.
Время нагрева капсул с порошком до температуры экструзии составляет 15 ч,
время выдержки — 8 ч.
66
Рис. 4.3 Схема получения порошковой быстрорежущей стали 10Р6М5-МП
Рис. 4.4 Гистограмма частот распределения Н размеров гранул порошка µ стали
10Р6М5-МП после распыления
В качестве смазывающего материала при экструзии используется стекло №185
фракции 0,1 мм. Горячая экструзия — один из перспективных и высокопроизводительных методов получения компактного материала из порошка, в котором
совмещаются операции спекания, уплотнения и деформации. Плотность заготовок, полученных из порошка стали 10Р6М5-МП, определяемая на автопикнометре 1320 фирмы «Культроникс» (Франция), близка к теоретической и составляет (7,992...8,034) 40 кг/м. Плотность заготовок из стали Р6М5 составляет
(8,031...8,045) 40 кг/м. Для снятия внутренних напряжений после экструзии и
подготовки структуры стали 10Р6М5-МП к последующим механической и термической обработкам ее подвергают отжигу (нагрев до 860 °С, выдержка 2 ч,
охлаждение с печью до 760 °С, выдержка 6 ч и дальнейшее охлаждение с печью).
В настоящее время разработана порошковая безвольфрамовая быстрорежущая сталь Р0М2ФЗ-МП, получаемая из распыленного азотом порошка. Компактные заготовки из нее изготавливают методом горячего газостатического
67
прессования или методом горячей экструзии. По сравнению со сталью Р6М5
сталь Р0М2ФЗ-МП имеет более высокие технологические свойства: горячую
пластичность и шлифуемость, при практически таких же режущей способности
и теплостойкости. Данная сталь предназначена для изготовления различных
видов режущего инструмента нормальной производительности. Ее применение
вместо стандартной быстрорежущей стали Р6М5 позволяет сэкономить до 60 кг
вольфрама и 20...30 кг молибдена с каждой тонны стали.
Широко развивается порошковая металлургия быстрорежущих сталей за
рубежом. Японской фирмой «Дайдо токусюко» производятся порошковые
быстрорежущие стали серии DEX:
DEX20 (1,3С - 4,0Сг - 5,0Мо - 6,5W - 3V); DEX40 (1,3С - 4,0Сг - 5,0Мо 6,5W - 3V - 8,0Со); DEX60 (1,7С - 4,0Сг - 2,0Мо - 15,0W - 5,0V - 8,0Со);
DEX80 (2,1С - 4,0Сг - 6,0Мо - 14,0W - 5,5V - 12,0Со).
Стали DEX20 и DEX40, используемые для изготовления матриц, пуансонов, зачистных и вырубных штампов, имеют высокий предел прочности при
изгибе и твердость HRC3 60...68.
Стали DEX60 и DEX80 имеют твердость, близкую, к твердости твердых
сплавов (до НВСЭ 71), чего невозможно достичь при изготовлении инструментальных сталей традиционным способом. Используются они для изготовления
быстрорежущего инструмента.
Фирмами «Asea» и «Stora Kopparberg» Швеция) производятся порошковые быстрорежущие стали типа ASP, например:
ASP30 (1,27С - 4,2Сг - 5,0Мо - 6,4W - 3,1V - 8,5Со);
ASP60 (2,3С - 4,0Сг - 7,0Мо - 6,5W - 6,5V - 10,5Со).
Эти стали применяются для изготовления многолезвийного и деформирующего инструмента, в котором красностойкость является определяющим
свойством.
Интенсивно развивается производство порошковых быстрорежущих сталей и в США, Великобритании, ЮАР, Индии, Египте.
Получение заготовок из порошковых быстрорежущих сталей позволяет
поднять коэффициент использования металла за счет полной или частичной
ликвидации механической обработки, внедрения автоматизированных процессов прессования и спекания и увеличения срока службы изготовленного инструмента за счет получения более дисперсной и однородной гетерофазной
структуры стали и снижения балла ее карбидной неоднородности.
68
4.2 Технология получения и применение порошковой проволоки
для производства качественных сталей
Среди металлоизделий промышленного назначения порошковая проволока (ПП) занимает особое место как по высоким темпам роста объёмов производства, так и по используемым сырьевым материалам и оборудованию.
В Западной Европе и Японии технология обработки жидкой стали так
называемой порошковой проволокой появилась в 1980-81 гг. В нашей стране
начало работ по производству отечественной ПП для внепечной обработки
черных сплавов можно отнести к 1988 г., когда было принято соответствующее
решение в Минчермет СССР. В 1989 г. ЦНИИчермет и МГТУ им. Баумана разработали первый опытный комплекс оборудования для производства металлургической ПП. В 1990 г. НПО "Тулачермет" совместно с ПО "Тульский патронный завод" начали работы по созданию первых образцов отечественных трайбаппаратов и оборудования изготовления ПП. В 1990-91 гг. начались работы в
этом направлении и на Чепецком механическом заводе в г. Глазове.
В 2004 года Научно-производственным предприятием «Вулкан-ТМ» (г.
Тула) начато производство линий по производству порошковой проволоки и
трайб-аппаратов. В настоящее время НПП «Вулкан-ТМ» осуществляет комплектую поставку линий производства порошковой проволоки и трайбаппаратов в составе технологического комплекса внепечной обработки и разливки стали и сплавов (Приложение). Выпускаемое оборудование не уступает
по качеству импортным аналогам и имеет существенные преимущества.
Конструктивно порошковая проволока (англ. — "cored wire" — "проволока с сердечником") состоит из протяжённой металлической оболочки, заполненной порошкообразным реагентом.
Подачу проволоки в ковш осуществляют с помощью специальной машины - трайб-аппарата (англ. - "cored wire injector"), позволяющей регулировать в широких пределах скорость и количество вводимых материалов в зависимости от массы металла и глубины ковша. В ковше оболочка проволоки расплавляется и подаваемое вещество попадает непосредственно в жидкий металл.
Способ внепечной обработки стали посредством порошковых реагентов
в металлической оболочке протяжённой длины имеет ряд неоспоримых преимуществ, таких как:
- небольшие капитальные вложения и производственные затраты, простота и надежность конструкций машин, совместимость с существующими в
металлургических цехах технологическими процессами;
69
- высокое и стабильное усвоение вводимых добавок, небольшой расход
материалов и точное регулирование заданного химического состава готового
металла;
- отсутствие контакта и взаимодействия вводимых добавок с кислородом и влагой воздуха и со шлаком;
- небольшая продолжительность операции, отсутствие чрезмерного
барботажа, охлаждения и захвата газов металлом;
- минимальные трудозатраты обслуживающей рабочей бригады, соблюдение жестких требований техники безопасности и промышленной санитарии,
взрывобезопасность, отсутствие пыле- и газовыделений, простота управления,
механизация и автоматизация технологической операции;
- удобство транспортировки и хранения ПП, простота подготовки к вводу в металл присаживаемых материалов;
- возможность использования, в том числе, с предварительным хранением и транспортировкой гидрофильных, легковоспламеняющихся и ядовитых
реагентов;
- повышение производительности плавильных агрегатов, упрощение и
сокращение последующего технологического процесса производства деформированных и литых заготовок;
- повышение и стабилизация на высоком уровне качественных характеристик, состава и свойств металла, сокращение брака, достижение определенного экономического эффекта.
Порошковыми проволоками доводятся до требуемого химсостава такие
марки сталей, как: Ст3, 10, 20, 40, 45, 30Х, 35Х, 40Х, 45Г, 48А, Р6М5, 09Г2С,
09Г2Д, 09Г2ФВ, 15ХГМНТ, 16Д, 17Г2АФ, 17Г1С, 18Г, 18ХГТ, 20ЮЧ, 22ГЮ,
23Х2Г2Т, К-74, а также Grade45, Grade50, Grade55 (по стандарту США АСТМ
А 607-92а) и др.
Кроме внепечной обработки металлов и сплавов, порошковая проволока
малых диаметров получила распространение в сварочном производстве начиная с 50-х гг. XX в.
4.3 Конструкции и технологии изготовления
порошковой проволоки
Конструкции
Порошковая проволока - это порошковый реагент в металлической
оболочке протяжённой длины.
70
ПП состоит, как правило, их двух основных частей: порошкового наполнителя (сердечника) и тонкостенной металлической оболочки.
В качестве сердечника ПП используют разнообразные сыпучие материалы, применяемые в металлургическом и сварочном производстве, к которым
предъявляется единственное требование с точки зрения технологии производства - способность к помолу до фракции не более 3÷4 мм.
В настоящее время имеются сведения о промышленном использовании в
металлургии примерно девятнадцати химических элементов в виде порошковых проволок, при этом различают около сорока вариантов наполнителей.
Металлическая оболочка выполняет несколько важных функций: защищает порошкообразные реагенты от воздействия атмосферы и влаги во время
хранения и транспортировки; предохраняет от окисления при прохождении через слои шлака на поверхности металла; обеспечивает соответствующую жесткость проволоки, необходимую для пробивания шлакового слоя; задерживает
непосредственный контакт реагентов с жидкой сталью, что позволяет путем
изменения скорости введения проволоки и толщины оболочки, регулировать
глубину погружения присаживаемых добавок.
В качестве металлической оболочки используют стальную холоднокатаную ленту из сталей марок 08кп, 08пс, 08Ю по ГОСТ 503. Толщина ленты в металлургической ПП 0,3÷0,5 мм, в сварочной ПП 0,15÷1,5 мм.
На сегодняшний день разработано множество конструкций металлургической ПП. Рассмотрим некоторые из них (см. рис. 4.5).
На рис. 4.5а изображена "классическая" конструкция ПП с фальцевым
замковым (ФЗ) соединением краёв оболочки 2. Данная конструкция является
наиболее распространённой и простой в изготовлении, производится многими
предприятиями, кроме того, она является базовой для остальных конструкций.
В качестве замка применён одинарный лежачий фальц 4, утопленный во внутрь
проволоки. К недостаткам данного замка следует отнести наличие только одного стопорящего порожка 5 и то, что внутренняя петля фальца 3 не полностью
обжимается в процессе прокатки проволоки, так как силовое воздействие инструмента (ролика) происходит только с одной стороны замка. Данные недостатки в случае неплотного заполнения порошком 1 и малой ширины фальца
приводят к раскрытию замка вследствие больших скручивающих деформаций в
процессе размотки проволоки из бунта трайб-аппаратом.
Для предотвращения раскрытия фальцевого замка, его иногда делают
выпуклым с двумя стопорящими порожками 5. Подобный вариант ПП изготавливается на "Чепецком механическом заводе" (рис. 4.5 в), а также подобная
конструкция замка применена в ПП по патенту фирмы "Affival" (рис. 4.5и).
71
Рис. 4.5 Металлургическая порошковая проволока
Для повышения плотности укладки порошкового наполнителя на металлической оболочке проволоки иногда делают продольное углубление-гофр 6 72
так называемый уплотняющий "зиг" (рис. 4.5б). Зиг прокатывается после того,
как будет закрыт замок на оболочке, но перед калибровкой проволоки; металл
зига внедряется в порошковый сердечник и уплотняет его. В известных конструкциях зиг может располагаться диаметрально противоположно замку, под
углом 90° к нему, рядом с замком. Как правило, бывает от одного до двух зигов. Недостатками данной конструкции являются: во-первых, повышенная металлоёмкость проволоки при прочих равных условиях; во-вторых, в процессе
намотки проволоки на катушку и при размотке из бунта происходит раскрытие
зига и, тем самым, ослабляется замок, что может привести к высыпанию наполнителя из проволоки.
Украинская фирма "КОИН" совместно с "ИЭС им. Патона" разработала
конструкцию ПП, в которой происходит образование дополнительного гофра 7,
прилегающего к замку по всей его длине и придающего проволоке дополнительную жёсткость (рис. 4.5 г). По мнению авторов, это препятствует раскрытию замка и просыпанию порошка во время размотки ПП из бунтов. Данная
схема является одной из самых надёжных.
Следующую конструкцию ПП (рис. 4.5д) отличает стоячий фальц 4,
утопленный по радиусу внутрь трубчатой оболочки, и сомкнутые гофры 7, зажимающие его между собой, образующие таким образом замкнутое соединение
в виде усиленного ребра. Ребро увеличивает продольную жёсткость готовой
ПП, повышая тем самым проникающую способность профиля при введении в
жидкий металл. Данная конструкция позволяет изготавливать несколько смежных размеров проволоки из ленты одной ширины путём регулирования величины утапливания стоячего фальца внутрь трубчатой оболочки. На взгляд авторов, утопленное внутрь трубчатой оболочки замковое соединение и отсутствие открытого продольного гофра на готовой ПП стабилизирует подачу проволоки трайб-аппаратом в ковш. Данной конструкции присущ тот недостаток,
что невозможно плотно обжать утопленный внутрь замок, а, значит, он будет
ненадёжным и может произойти его раскрытие.
Другую конструкцию ПП (рис. 4.5e) отличает то, что трубчатая оболочка формируется с перекрытием продольных кромок оболочки внахлёст, при
формировании дополнительного внутреннего гофра 7 внешнюю часть оболочки
в зоне нахлёста прижимают к стороне гофра и подвергают заготовку обработке
до смыкания сторон дополнительного гофра и зажатия между ними участка
оболочки с зоной нахлёста. При этом образуется замковое соединение в виде
стоячего фальца 4, утопленного внутрь оболочки. По мнению авторов, данная
ПП, благодаря большой жёсткости, обладает повышенной проникающей способностью при введении её в жидкий металл и лучше противостоит скручивающим деформациям, возникающим при статической размотке проволоки
трайб-аппаратом. Этой конструкции ПП присущ тот же самый недостаток, а
именно то, что невозможно плотно обжать утопленный внутрь замок, следовательно, он будет ненадёжным и может произойти его раскрытие.
На рис. 4.5 ж показано сечение ПП, очень похожей на предыдущий вариант. В данной конструкции заполненную порошком оболочку обжимают до
73
соединения кромок внахлёст, а внутренний гофр формируется в месте соединения кромок путём обжатия оболочки до соприкосновения боковых стенок полученного гофра. В этом состоит сходство с ранее рассмотренной ПП. Отличие
заключается в том, что воздействие ролика, формирующего гофр, осуществляется примерно посередине зоны нахлёста боковых кромок, в то время, как по
предыдущему варианту ролик воздействует на зону нахлёста по краю наружной
кромки. Авторы этой ПП имели целью решить задачу получения качественного замкового соединения и исключения при этом самостоятельной операции по
уплотнению порошкового наполнителя, так как она совмещается с операцией
формирования замкового соединения. Данной ПП присущи все ранее рассмотренные недостатки.
Голландская фирма "Hoogovens groep" предложила оригинальную конструкцию порошкового наполнителя в металлической оболочке протяжённой
длины, которую отличает нижеследующее (рис. 4.5 з): края заполненного порошком металлического желоба соединяются внахлёст и полученная трубчатая
конструкция подвергается дальнейшей прокатке, в результате которой образуется спиралевидная оболочка, содержащая как минимум два слоя. Далее заготовка пропускается через индуктор, в котором нагревается до 650÷750 °С, после чего подаётся в редуцирующие ролики (расположенные под углом 120°
друг к другу), в которых происходит волочение проволоки и одновременное
сваривание слоев спиралевидной металлической оболочки между собой. Таким
образом, образуется герметичная оболочка, предохраняющая порошковый
наполнитель от воздействия внешних факторов. По заявлению авторов, полученная продукция может быть использована как металлургическая ПП, а также
как заготовка для производства сварочной ПП.
Фирма "Affival" (бывшая "Vallourec Solesmes") разработала двухслойную
ПП (см. рис. 4.5 и). Её отличает то, что внутри металлической оболочки коаксиально располагаются по крайней мере два различных порошковых сердечника. При этом внутренний сердечник отделён от внешнего промежуточной металлической оболочкой, сделанной из того же или другого металла, что и
внешняя оболочка. Применение двухслойной ПП позволяет заменить ввод в
расплав двух обычных ПП с разными наполнителями.
Первоначально проволока "Affival" была разработана с прямоугольным
сечением, в ней фальцевый замок с двумя стопорящими порожками смещён от
центра широкой грани к одному из рёбер. Прямоугольная форма сечения ПП
предназначена прежде всего для повышения коэффициента заполнения оболочки наполнителем, а также способствует увеличению плотности укладки проволоки при её намотке на катушку. Однако такую проволоку можно применять
только в режиме динамической размотки трайб-аппаратом (т.е. размотка с вращающейся катушки), так как в случае стационарной размотки (из неподвижного бунта) происходят значительные крутильные деформации, ведущие к раскрытию металлической оболочки.
Конструкции сварочной ПП весьма разнообразны; наиболее часто
встречающиеся из них показаны на рис. 4.6 [63, 65]. Наибольшее распростране74
ние получила трубчатая ПП (рис. 4.6 а), составляющая 70÷80% от общего выпускаемого объёма. Сложные конструкции ПП (рис. 4.6 г – 4.6 м) разработаны
для более равномерного плавления проволоки по её сечению (оболочки и
наполнителя) и улучшения расплавленного металла при сварке. В них металлическая лента (а также дополнительно введённая сплошная проволока) равномерно распределена по сечению ПП, тем самым увеличена доля присадочного
металла внутри сечения, что приближает строение ПП к строению электрода, у
которого покрытие расположено вокруг стержня.
Рис. 4.6. Сварочная порошковая проволока:
а — трубчатая; б — трубчатая с перекрытием; в — трубчатая бесшовная;
г — с одной загнутой кромкой; д — с двумя загнутыми кромками;
е - усложнённая; ж -двухслойная; з — комбинированная с металлическим
сердечником; и — четырёхзагибная; к — сложнозагибная;
л — сложнозагибная; м - комбинированная с тремя металлическими
проволоками внутри
Применение трубчатой ПП с перекрытием и бесшовной (рис. 4.6 б и
4.6в) исключает высыпание порошкового наполнителя через продольный шов, а
бесшовная ПП к тому же позволяет выполнять подводную сварку и применять
при её изготовлении омеднение поверхности.
Двухслойная ПП (рис. 4.6 ж), выполненная с перекрытием, имеет
наружный слой порошка из шлакообразующих компонентов, а внутренний - из
легирующих элементов и железного порошка. Это обеспечивает высокие сварочно-технологические свойства проволоки, надёжную защиту зоны дуги и
расплавленного металла от воздействия атмосферного воздуха и даёт возмож75
ность получать металл сварного шва высокого качества, сохраняющий пластичность при отрицательных температурах.
Сварочная ПП рассмотренных конструкций изготавливается с конечной
операцией волочения.
Технологии изготовления
В настоящее время в промышленном производстве применяется множество вариантов технологических процессов изготовления ПП, осуществляемых
на комплексах ОПП (рис. 4.7). Техпроцессы различаются в основном числом
переходов и способом формообразования металлической оболочки [54-61, 101105]. Рассмотрим один из них на примере "классической" ПП.
Рис. 4.7. Общая схема технологического комплекса оборудования изготовления
порошковой проволоки: 1 - установка размотки штрипсов; 2 - установка резки и
сварки штрипсов; 3 -узел загрузки наполнителя; 4 - прокатно-формовочный агрегат; 5 -укладчик витков проволоки; 6-установка намотки проволоки
Формообразование ПП происходит за несколько технологических переходов (рис. 4.8). В начале (а) из исходной плоской ленты (штрипса) формируется V-образный жёлоб с наклонёнными под углом 45° боковыми стенками, при
этом одновременно образуются элементы (полочки) фальцевого замка (б). Далее из V-образного жёлоба профилируется U-образный жёлоб с вертикальными
стенками (в). Эти два перехода осуществляются в блоке предварительной формовки, формообразующим инструментом являются прокатные ролики (валки).
На следующем этапе (г) в U-образный жёлоб засыпается порошковый
наполнитель. Засыпка порошка осуществляется в узле загрузки. Инструментом
является рабочий орган механизма загрузки (питателя), а также другие элементы, осуществляющие вспомогательные действия (отсечка уровня порошка, разравнивание и уплотнение наполнителя, протирание полочек замка от пыли и
т.п.).
76
Рис. 4.8. Один из вариантов последовательности технологических переходов
формообразования порошковой проволоки
Заполненный порошком U-образный жёлоб поступает в блок окончательной формовки, в котором выполняются следующие технологические переходы: сближение краёв U-образного жёлоба (д); сближение (выпрямление) полочек ФЗ (е); предварительная завалка полочки ФЗ (ж); окончательная завалка
полочки ФЗ (з); боковое обжатие вертикального фальца (и); предварительная
завалка фальца (к); окончательная завалка фальца (л); калибровка проволоки
(м). Инструментом, осуществляющим эти действия, как правило, являются прокатные ролики (валки) либо неподвижные матрицы-проводки.
На завершающей стадии формообразования ПП происходит многопроходная калибровка проволоки (н-п), за счёт которой достигается: уплотнение
порошкового сердечника, плотное обжатие ФЗ, а также придание правильной
(требуемой) геометрической формы поперечного сечения ПП и регламентируемых размеров. Калибровка проволоки происходит в тянуще-калибрующем
устройстве, которое представляет собой совокупность прокатных клетей либо
волочильных барабанов. Формообразующим инструментом служат прокатные
ролики (валки) либо матрицы-волоки.
Далее проволока проходит через счётно-контрольное устройство, регистрирующее метраж изготовленной ПП. Затем ПП наматывается на катушку,
при этом витки проволоки раскладываются с равномерным шагом посредством
укладчика.
77
5 ТЕХНОЛОГИИ СВАРКИ, ПАЙКИ И СКЛЕИВАНИЯ
5.1 История развития сварочного производства
Сварка широко применяется в современном машиностроении, в строительстве и других отраслях народного хозяйства для соединения металлов и
сплавов между собой и с неметаллическими материалами (керамикой, графитом, стеклом и т.п.). Чрезвычайно велико значение сварки в промышленности,
ремонте артиллерийских орудий, самоходных установок, реактивной артиллерии, боеприпасов, стрелкового оружия и другой военной техники. По данным
ремонтных предприятий сварка занимает до 30% объема всех ремонтных работ.
Широкое применение сварки обусловлено целым рядом ее преимуществ по
сравнению с другими способами неразъемного соединения. Например, при замене клепаных конструкций сварными расход металла сокращается на 15–30%,
значительно снижается стоимость и трудоемкость работ, резко повышается
производительность. Многие литые или кованые изделия можно заменить более легкими сварными; при этом экономия металла может достигать 40–50% от
массы изделия.
Использование простейших способов сварки (типа кузнечной и литейной)
началось еще в глубокой древности. Однако бурное ее развитие началось в
конце XIX – в начале ХХ веков, когда появились эффективные средства нагрева
металла: электрическая дуга, термитные смеси, ацетилено-кислородное пламя,
плазма, электронный луч, лазер и т.п.
Родиной современных способов сварки по праву считается Россия. В
1802 г. академик В.В.Петров открыл явление электрической дуги. В 1881 г.
русский инженер Н.Н.Бенардос разработал способ сварки угольным электродом; в 1888 г. Н. Г.Славянов предложил способ дуговой сварки металлическим
электродом. Они же разработали практически все способы контактной сварки.
Крупным вкладом в развитие сварочной техники явилась разработка автоматической дуговой сварки под слоем флюса в институте электросварки во
главе с академиком Е. О. Патоном в конце 30-х годов прошлого столетия. Во
время Великой Отечественной войны автоматическая сварка была освоена на
наших оборонных заводах и сыграла большую роль в увеличении производства
танкового и артиллерийского вооружения.
Академик К.К.Хренов в годы войны разработал методы подводной сварки и резки, использовавшиеся при ремонте поврежденных кораблей.
В тот же период в США разработаны способы дуговой сварки в инертных
газах (аргоне, гелии), а в нашей стране – сварка в среде углекислого газа.
Нашими космонавтами (В.Кубасов, Г.Шонин, С.Савицкая) впервые была
осуществлена сварка на околоземной орбите материалов, которые в земных
условиях сваривать трудно или невозможно.
78
5.2 Физические основы сварки
Сварка – процесс получения неразъемных соединений посредством установления межатомных связей между свариваемыми частями металла при их
нагреве или пластическом деформировании, или совместном действии того и
другого.
Сварка – это металлургический процесс, основанный на закономерностях
термодинамики, физических и химических превращениях как в самом сварном
шве, так и в околошовной зоне. Принципиальная сущность сварки очень проста. Поверхностные атомы куска металла имеют свободные, ненасыщенные
связи, которые захватывают всякий атом, приблизившийся на расстояние действия межатомных сил (~4·10-8 см). Процесс соединения теоретически происходит спонтанно (самопроизвольно), без затрат энергии и практически мгновенно. Свободные атомы имеют избыток энергии по сравнению с атомами конденсированной системы и поэтому соединение атомов должно сопровождаться
освобождением энергии. Такое самопроизвольное объединение атомов наблюдается в объемах однородной жидкости, а также в условиях высокого вакуума
не ниже 1·10-8 мм рт.ст. Такие естественные условия имеются в космическом
пространстве, где металлы свариваются (схватываются) при случайных соприкосновениях. Несравненно труднее происходит объединение объемов твердого
вещества при нормальных условиях в атмосфере. Соединению твердых металлов мешают прежде всего:
а) твердость, не дающая возможности сблизить объемы металла по всей
поверхности соприкосновения (соприкосновение происходит лишь в немногих
физических точках даже на тщательно подогнанных поверхностях и разрушается действием упругих сил при снятии давления);
б) загрязнения поверхности металла: оксиды, жировые пленки, а также
слои адсорбированных молекул газов, образующиеся на свежезачищенной поверхности практически мгновенно под действием атмосферы.
Для борьбы с этими затруднениями техника использует два основных
средства: нагрев и давление. При нагреве снижается твердость металла и возрастает его пластичность, что позволяет соединять металлы при сравнительно
небольшом давлении. Если довести металл до расплавленного (жидкого) состояния, то отпадают все трудности, связанные с твердостью – объемы жидкого
металла самопроизвольно сливаются в общую сварочную ванну. Давление создает значительную пластическую деформацию металла (у достаточно пластичных металлов), и он начинает течь подобно вязкой жидкости. Металл должен течь вдоль поверхности раздела, унося поверхностный слой с загрязнениями и пленками оксидов и газов. С повышением температуры пластичность повышается, необходимое давление снижается, поэтому часто применяют оба эти
фактора совместно (нагрев и давление). Вообще возможны различные соотношения: от расплавления металла при отсутствии давления вплоть до сварки
только давлением без нагрева (холодная сварка).
79
Средством для очистки поверхности служат флюсы, растворяющие оксиды при повышенных температурах. Кроме того, принимают меры для уменьшения загрязнения металла в процессе сварки (флюсы, шлаки, защитные газы,
вакуум).
5.3 Классификация способов сварки
Классификацию способов сварки осуществляют по различным признакам
(ГОСТ 19521-74): по форме энергии, способу защиты металла в зоне сварки,
степени механизации или автоматизации и др. В практике сварочного производства принято все существующие способы сварки делить на две большие
группы: I) сварка плавлением (объединяет все способы, основанные на местном
расплавлении металла по соединяемым кромкам); 2) сварка давлением или
сварка в пластическом состоянии (входят все способы, характеризующиеся
применением давления). Схема такой классификации показана на рисунке 5.1.
При ремонте вооружения наиболее широкое применение нашли следующие способы сварки: электродуговая, электроконтактная и газовая. Они и будут
рассмотрены ниже
Сварка материалов
Сварка плавлением
(без давления)
Сварка давлением
Термомеханического
класса
Дуговая
Плазменная
Газовая
Электрошлаковая
Лучевая
Литейная
Диффузионная
Газопрессовая
Индукционная
Контактная
Кузнечная
Термитная
Механического класса
Трением
Взрывом
Холодная
Ультразвуковая
Рисунок 5.1 – Производственная классификация способов сварки [130]
80
5.4 Типы сварных соединений
Сварные соединения, применяемые в производстве и ремонте, делятся на
четыре основных типа: стыковые, внахлестку, угловые и тавровые (рисунок
5.2).
Рисунок 5.2 – Типы сварных соединений
Для получения высокопрочного сварного шва необходимо обеспечить
равномерное сквозное проплавление свариваемых элементов. Это достигается
специальной подготовкой кромок деталей перед сваркой. Особенности подготовки кромок определяются толщиной свариваемого металла. Рассмотрим этот
вопрос на примере стыкового соединения (ручная электродуговая сварка).
При сварке металла толщиной менее 3 мм производят отбортовку кромок
на высоту h, равную удвоенной толщине металла (рисунок 5.3, а).
При толщине металла 3–8 мм кромки соединяемых листов не требуют
специальной подготовки, необходимо лишь обеспечить взаимную параллельность их и зачистить участок металла 15–20 мм от кромки для удаления окалины, ржавчины и других загрязнений (рисунок 5.3, б). Зазор δ = 0–2 мм делается
для облегчения доступа расплавленного металла к нижним слоям и провара
всего сечения. Его величина растет с увеличением толщины деталей.
При толщине металла 8–20 мм прибегают к односторонней разделке
(скосу) кромок под углом α = 60–700 (рисунок 5.3, в). Такая разделка кромок
называется V-образной. Притупление кромок с = 2–3 мм делается для уменьшения опасности прожога металла вершины шва. Зазор принимается равным δ
= 2–4 мм.
При сварке материалов толщиной более 15–20 мм рекомендуется двухсторонняя (Х-образная) разделка кромок (рисунок 5.3, г). Величина элементов
кромок составляет: α = 60–900; с = 2–3 мм; δ = 2–4 мм.
При сварке изделий с резко различной толщиной более толстую деталь
следует разделать, как показано на рисунке 5.3, д.
81
Рисунок 5.3 – Подготовка (разделка) кромок под стыковой шов
Нахлесточные соединения выполняются угловыми швами (см. рисунок
5.2, б). Для получения качественного соединения величина нахлестки должна
быть не менее трех-пятикратной толщины свариваемых элементов.
Угловые (рисунок 5.2, в) и тавровые (рисунок 5.2, г) соединения могут
быть сварены или без скоса или со скосом кромок. В последнем случае следует
руководствоваться теми же рекомендациями, что и для стыковых соединений.
Сварные швы по расположению в пространстве делятся на нижние, горизонтальные, вертикальные и потолочные, а по технологии получения — непрерывные и прерывистые.
5.5 Ручная электродуговая сварка открытой дугой
Электродуговой (или просто дуговой) сваркой называется сварка плавлением, при которой нагрев металла осуществляется электрической дугой. По
технологическим признакам эта сварка подразделяется на ряд способов: плавящимся и неплавящимся электродом, под слоем флюса, в среде защитного газа;
по степени автоматизации – на ручную, полуавтоматическую и автоматическую.
При ремонте вооружения (особенно в полевых условиях) наиболее широкое применение получила ручная дуговая сварка плавящимся электродом (способ Н.Г.Славянова). Оборудование для производства работ этим способом
сварки входит в комплект штатных войсковых ремонтных мастерских.
Сущность ручной дуговой сварки плавящимся электродом заключается в
следующем (рисунок 5.4).
82
Рисунок 5.4 – Схема ручной дуговой сварки:
1 – затвердевший шлак; 2 – сварочная ванна; 3 – слой расплавленного шлака;
4 – столб дуги; 5 – обмазка на электроде;
6 – металлический стержень (электрод)
К электроду и свариваемому изделию подводится постоянный или переменный ток. Дуга расплавляет металлический стержень электрода и основной
металл. Образуется общая сварочная ванна, coстоящая из расплавленного металла, покрытая расплавленным шлаком. Сварочная дуга представляет собой
стационарный электрический разряд в газовом промежутке между находящимися под напряжением электродами, одним из которых является свариваемая
деталь, а другим – металлический стержень, покрытый специальной обмазкой.
Этот разряд сопровождается большим выделением тепловой и световой энергии. Так в центре столба дуги температура может достигать 5000–70000С и выше; на катоде (отрицательном электроде) – 24000С; на аноде (положительном
электроде) – 26000С. Этого достаточно для сварки практически всех технических сплавов.
Возбуждение сварочной дуги осуществляется кратковременным коротким замыканием электродов. Для устойчивого горения дуги необходима непрерывная ионизация воздушного промежутка, которая происходит за счет тепловой эмиссии электронов из катодного пятна при соответствующей разности потенциалов (при сварке на постоянном токе). При использовании переменного
тока промышленной частоты (50 Гц) его значение 100 раз в секунду переходит
через ноль. В начале и конце каждого полупериода дуга гаснет, ионизация газов
в столбе снижается, в результате чего, дуга горит неустойчиво. Для устранения
этого явления в обмазку электрода вводят специальные вещества, повышающие
ионизацию дугового промежутка (ионизаторы).
Для защиты металла шва от кислорода и азота воздуха в состав электродного покрытия вводят компоненты, образующие при расплавлении шлаки и газы, которые оттесняют воздух из зоны дугового разряда и сварочной ванны.
83
Кристаллизация металла сварочной ванны приводит к образованию сварного шва соединяющего свариваемые детали (рисунок 5.5). В сварном соединении можно выделить три зоны: зону наплавленного металла I, зону термического влияния II и зону основного металла III (здесь структура и свойства металла
в результате сварки не меняются).
Наплавленный металл имеет литую крупнозернистую структуру (дендриты). К литому шву прилегает зона термического влияния (околошовная зона), в
которой можно выделить несколько участков: I – участок неполного расплавления; 2 – участок перегрева, имеющий крупнозернистое строение и пониженные механические свойства; 3 –участок нормализации с мелкозернистой структурой и повышенными механическими свойствами; 4 – участок неполной перекристаллизации; 5 – участок рекристаллизации (если металл предварительно
был наклепан).
Рисунок 5.5 – Распределение температур по сечению сварного соединения
и строение околошовной зоны при сварке сталей
Околошовная зона оказывает существенное влияние на прочность сварного соединения, особенно при сварке высокоуглеродистых и легированных
сталей, поскольку могут образовываться закалочные структуры, возникать
большие внутренние напряжения. Это снижает пластичность и вязкость сварного соединения, может привести к образованию трещин. При ручной дуговой
сварке протяженность зоны термического влияния 2–10 мм; при газовой 20–25
мм.
При сварке сталей, подверженных закалке, необходим предварительный
подогрев деталей, а для снятия остаточных напряжений – отжиг после сварки.
Как отмечалось, в процессе дуговой сварки происходит энергичное взаимодействие расплавленного металла с кислородом и азотом воздуха, что резко
ухудшает свойства наплавленного металла. Существует два способа защиты
расплавленного металла: I) создание шлаковой защиты сварочной ванны; 2) создание защитной газовой атмосферы вокруг дуги и зоны сварки.
В соответствии с этим для получения высококачественных сварных соединений и повышения производительности на практике широкое распростра84
нение получили специальные виды дуговой сварки: сварка под слоем флюса и
сварка в среде защитного газа.
5.6 Дуговая сварка под слоем флюса
Сваркой под флюсом называется дуговая сварка, при которой дуга горит
под слоем сыпучего вещества, называемого флюсом. Этот способ был разработан советскими учеными под руководством Е.О.Патона и является высокопроизводительным, автоматизированным способом. Находит применение в производстве вооружения при сварке танковой брони, корпусов БМП, БТР, различных конструкций из сталей, цветных металлов и их сплавов.
Сущность сварки заключается в том, что сварочная дуга (постоянного
или переменного тока) зажигается между голой электродной проволокой 2 и
изделием, находящимся под слоем флюса 4 (рисунок 5.6). Под действием пара
и газов, создаваемых дугой, образуется полость 9 (газовый пузырь), в котором
горит дуга. Давлением газов в пузыре и механическим давлением, создаваемым
дугой, жидкий металл 8 оттесняется из-под дуги, что обеспечивает теплопередачу к основному металлу и глубокое его проплавление. Кристаллизация сварочной ванны приводит к образованию сварного шва. Затвердевший флюс образует шлаковую корку 6, которая, замедляя охлаждение металла, способствует
выходу из него газов и неметаллических включений.
Рисунок 5.6 – Схема автоматической сварки под слоем флюса:
1 – подающие ролики; 2 – электродная проволока; 3 – токоподвод; 4 – флюс;
5 – слой расплавленного флюса; 6 – шлаковая корка; 7 – сварной шов;
8 – сварочная ванна; 9 – газовый пузырь; 10 – дуга
Флюс насыпают слоем толщиной 40–60 мм, нерасплавившийся флюс собирают и используют вторично (~80%). Благодаря глубокому проплавлению
можно сваривать детали без разделки кромок за один проход толщиной до 20
мм из стали и до 35 мм из алюминиевых сплавов. Формирование шва происхо85
дит в основном за счет металла деталей, что уменьшает расход электродной
проволоки (2/3 объема шва формируется за счет основного металла и лишь 1/3
– за счет присадочного).
Особенностями сварки под флюсом (по сравнению с ручной сваркой) являются:
1. Очень высокое и равномерное качество сварки за счет того, что металл
плавится и кристаллизуется под слоем флюса (нет контакта с воздухом, замедленное охлаждение).
2. Возможность резко (в 6–8 раз) увеличить силу сварочного тока. Если
при открытой дуге сварка при силе тока 500–600 А невозможна (разбрызгивание металла, угар, нарушение формы шва), то погружение дуги во флюс позволяет применить ток силой в среднем 1000–2000 А, а максимально до 3000–4000
А.
3. Повышение производительности в 20–25 раз за счет увеличения силы
тока, лучшего его использования, непрерывности процесса, механизации подачи проволоки.
4. Возможность уменьшить разделку кромок, а часто и вообще обойтись
без нее.
5. Не требуется защита глаз сварщика.
К недостаткам сварки под флюсом можно отнести: а) невидимость места сварки, что затрудняет сварку швов сложной конфигурации; б) значительный расход флюса, что несколько удорожает производство; в) возможность
сваривать только нижние швы, поскольку при отклонении шва от горизонтали
более чем на 10–150 расплавленные металл и флюс стекают.
5.7 Дуговая сварка в среде защитного газа
Сваркой в защитном газе называется дуговая сварка, при которой; для
защиты расплавленного металла в зону дуги подается защитный газ (инертный
или активный).
Сущность процесса состоит в том, что электрическая дуга горит между
неплавящимся (рисунок 5.7, а) или плавящимся (рисунок 5.7, б) электродами и
изделием. Для защиты расплавленного металла в зону дуги непрерывно подается струя защитного газа. Защитный газ оттесняет воздух от зоны сварки, обеспечивая защиту расплавленного металла от вредного действия кислорода и азота воздуха.
Основные преимущества этого способа: I) не нужно применять обмазки и
флюсы, в связи с чем отпадает необходимость очищать шов от шлака; 2) возможность сварки в любых пространственных положениях (в отличие от сварки
под флюсом); 3) малая зона термического влияния, вследствие высокой концентрации тепла; 4) простота наблюдения за процессом сварки; 5) возможность
сваривать алюминиевые, титановые и другие сплавы, не поддающиеся сварке
обычными способами.
86
Недостаток – трудность раскисления и легирования металла, так как нет
шлака (только за счет металла электрода).
Защитные газы могут быть инертными и активными.
Инертные (благородные) газы имеют целиком заполненные наружные
электронные оболочки, а потому не вступают в химические реакции (гелий, неон, аргон, криптон, ксенон). Наиболее доступным является аргон (в воздухе
~1% Аr по объему), он и служит основным защитным газом при сварке (из
инертных).
Из активных газов применяют чаще всего углекислый газ, водород и
азот. Эти газы значительно дешевле инертных и, в то же время, могут обеспечить хорошие результаты сварки. Например, азот по отношению к меди является абсолютно нейтральным и обеспечивает идеальную защиту.
а)
б)
Рисунок 5.7 – Дуговая сварка в среде защитного газа:
а – неплавящимся; б – плавящимся электродами; 1- изделие; 2- присадочный
пруток; 3- электрод; 4- горелка.
В производстве и ремонте РИМ наиболее широкое применение получили
аргонодуговая сварка и сварка в углекислом газе.
Аргонодуговой сваркой называется сварка, при которой в качестве защитного газа используется аргон. Аргон – инертный газ, получаемый из воздуха
при производстве кислорода и азота. Хранится и транспортируется в специальных стальных баллонах, окрашенных в серый цвет, под давлением 15 МПа.
Аргонодуговая сварка применяется для соединения ответственных деталей из специальных легированных сталей, цветных металлов и их сплавов:
алюминиевых, магниевых, титановых и пр. Например, баки окислителей, емкости транспортных машин, домкраты пусковых установок, алюминиевая броня и
др.
Сварка может выполняться вручную и на автоматах неплавящимся
(вольфрамовым) и плавящимся электродами. Сила сварочного тока составляет
100–300 А.
Аргон, будучи тяжелее воздуха, хорошо защищает дугу и нагретый металл от окружающего воздуха, сжимает дугу, способствуя концентрации тепла.
87
Это обеспечивает глубокий провар основного металла, минимальную зону термического влияния, высокое качество сварки.
Сварка в углекислом газе – дуговая сварка, при которой в зону дуги, в качестве защитного газа, подается углекислый газ (СО2). Это наиболее экономичная сварка из всех известных способов сварки в защитных газах. Была разработана в начале 50-х годов прошлого века, в ЦНИИТМАШ под руководством
К.В.Любавского, и в настоящее время нашла широкое применение во всех
странах мира.
Углекислый газ СО2 в 1,5 раза тяжелее воздуха, неядовит, негорюч, недефицитен, недорог. Производится прокаливанием известняков, из дымовых газов, выхлопных газов ДВС и пр. Под давлением обращается в жидкость (углекислота), поставляется в баллонах черного цвета под давлением 10–15 МПа.
Применяется чаще всего для сварки малоуглеродистых, низколегированных и
некоторых марок высоколегированных сталей. Металлы и сплавы, активные к
воздействию кислорода, сварке в СО2 не подвергаются, вследствие его окисляющей способности.
Для сварки таких материалов применяют смесь аргона с углекислым газом, что позволяет расширить номенклатуру сталей, свариваемых этим способом.
Сварка в углекислом газе широко применяется при изготовлении и ремонте направляющих боевых машин залпового огня, вертлюгов, станин артиллерийских орудий и др.
5.8 Электроконтактная сварка
Электроконтактной сваркой называется сварка с применением давления,
при которой нагрев производится теплом, выделяемым при прохождении электрического тока через находящиеся в контакте соединяемые части. Согласно
ГОСТ 19521-74 контактная сварка относится к термомеханическому классу, то
есть сварка осуществляется с использованием тепловой энергии и давления.
В производстве и ремонте РИМ контактная сварка широко применяется
при изготовлении деталей с замкнутым контуром, а также профилей различного
поперечного сечения, например, камер сгорания, колец камер ЖРД, при сварке
магазинов к стрелковому оружию, при производстве стабилизаторов мин и
авиационных бомб, деталей приборов, автомобилей и др.
Различают следующие виды контактной электросварки: стыковая, точечная и шовная (роликовая).
Сущность контактной сварки: соединение металлов происходит за счет
пластической деформации соединяемых деталей. Для повышения пластичности
и снижения сопротивления деформированию в месте контакта металл нагревается за счет тепла, выделяющегося при прохождении электрического тока. По88
сле разогрева детали механически сдавливают. Принципиальная схема сварки
показана на рисунке 5.8.
Рисунок 5.8 – Схема стыковой контактной сварки:
1 – свариваемые заготовки; 2 – зажимы (электроды) сварочной машины
Общее количество тепла, выделяемое электрическим током в проводнике,
определяется по формуле Джоуля-Ленца:
Q = I2∙R∙τ, Дж,
где I – сварочный ток, А; R – полное сопротивление сварочного контура,
Ом; τ – время прохождения тока, с.
Наиболее сильно и быстро нагревается место контакта свариваемых деталей, так как электросопротивление здесь по величине значительно превосходит
сопротивление любого другого участка сварочного контура. Повышенное электросопротивление контакта вызывается следующими причинами: 1) действительное сечение контакта резко уменьшено из-за наличия микронеровностей на
поверхности стыка даже после тщательной обработки; 2) на поверхности свариваемых металлов имеются пленки оксидов и загрязнения с малой электропроводностью. Чем больше сварочный ток, тем меньше продолжительность
нагрева, меньше потери тепла в окружающую среду, тем выше КПД процесса.
Поэтому сварку ведут при высоких плотностях тока.
Рассмотрим особенности выполнения стыковой, точечной и шовной
сварки.
Стыковая сварка – контактная сварка, при которой соединение свариваемых частей происходит по всей поверхности соприкосновения свариваемых
деталей. При этом способе сварки заготовки закрепляются в зажимах сварочной
машины (см. рисунок 5.8). Один из зажимов является подвижным и связан с
механизмом осадки. Оба зажима гибкими шинами соединены со сварочным
трансформатором, который питается от сети переменного тока. По способу и
температуре нагрева стыковую сварку разделяют на сварку сопротивлением
(без оплавления) и сварку оплавлением.
При сварке сопротивлением детали прижимают друг к другу и пропускают ток. Детали должны быть тщательно очищены, а торцы их должны быть
89
строго параллельны. При сварке оплавлением ток включают, имея зазор между
деталями. При этом происходит электрический разряд, и металл быстро разогревается до оплавления торцов; расплавленный металл вместе с оксидами выдавливается из зазора (при осадке), образуя так называемый грат, который
удаляется механическим способом.
Сварка оплавлением имеет ряд существенных преимуществ: а) хорошо
свариваются разнородные металлы и сплавы. Этим способом можно сварить
практически любые металлы любого сечения; б) в процессе оплавления выравниваются все выступы и неровности, поэтому поверхность стыка не требует
особой подготовки; в) все загрязнения и оксидные пленки полностью удаляются, что обеспечивает повышенное качество сварного соединения. Недостатком
сварки оплавлением является то, что несколько увеличивается расход материала (вследствие оплавления). Это особенно ощущается при сварке дорогих и дефицитных материалов.
Точечная контактная сварка – сварка, при которой соединение происходит на участках, ограниченных площадью торцов электродов (условно в точках,
причем одновременно могут свариваться до 50 точек). При точечной сварке заготовки соединяют внахлестку и зажимают с усилием Р между медными электродами, подводящими ток к месту сварки (рисунок 5.9 а). После нагрева до
пластического состояния или до частичного расплавления внутренних слоев
металла ток выключают. В результате образуется литая сварная точка.
Шовная (роликовая) контактная сварка – сварка, при которой соединение выполняется внахлестку вращающимися дисковыми электродами в виде
непрерывного или прерывистого шва. По технологии она мало отличается от
точечной и применяется в производстве вооружения для получения таких же
изделий (особенно, когда требуется герметичность). Схема сварки представлена
на рисунке 5.9 б.
Рисунок 5.9 – Схемы точечной (а) и роликовой (б) сварки
90
Точечной и шовной сваркой чаще всего соединяют листовой материал
толщиной от 0,5 до 5 мм.
5.9 Оборудование и технология электродуговой сварки
Оборудование сварочного поста
Специально оборудованное место для сварки называется сварочным постом. В состав сварочного поста входят: 1) источник питания сварочной дуги
(сварочная установка); 2) принадлежности и инструмент сварщика (электрододержатель, щиток или маска, стальная щетка, молоток, зубило, ящик или сумка
с электродами, токоподводящие провода); 3) дополнительное оборудование
(металлический стол, кабина или ширма, стул и т.п.); 4) средства индивидуальной защиты сварщика и пожаротушения.
Сварочные посты могут быть стационарными и передвижными. Стационарные посты располагают в открытых сверху отдельных кабинах, оборудованных вытяжной вентиляцией. Передвижные сварочные посты применяются в
полевых условиях для ремонта вооружения.
Источники питания предназначены для питания током сварочной дуги.
Они должны:
а) обеспечивать легкое зажигание и устойчивое горение дуги;
б) иметь напряжение Uхх на зажимах при разомкнутой сварочной цепи
(напряжение холостого хода) не выше 60–90 В, а при установившемся режиме
сварки в 2–2,5 раза ниже. Чем больше напряжение Uxx, тем легче зажигать дугу,
но увеличивается опасность поражения током сварщика. Ток короткого замыкания не должен превышать рабочий ток более чем в 1,5 раза (во избежание перегорания проводов и аппаратуры);
в) обеспечивать возможность регулирования силы сварочного тока для
сварки металла различной толщины.
Для ручной дуговой сварки используются как источники переменного
(сварочные трансформаторы), так и постоянного тока (сварочные генераторы и
выпрямители).
Сварочные трансформаторы применяются в стационарных ремонтных
мастерских, где есть сеть промышленного напряжения 220 или 380 В. Они, как
правило, имеют падающую внешнюю характеристику, их используют для дуговой ручной сварки и автоматической сварки под флюсом. Широко применяют
трансформаторы с увеличенным магнитным рассеянием и подвижной вторичной обмоткой (типов ТС и ТД). В этих трансформаторах первичная 1 и вторичная 2 обмотки раздвинуты относительно друг друга, что обусловливает их повышенное индуктивное сопротивление вследствие появления потоков рассеяния.
91
Рисунок 5.10 – Схема сварочного трансформатора:
а) положение обмоток при минимальном токе;
б) то же при максимальном токе
При работе трансформатора основной магнитный поток Ф0, создаваемый
первичной и вторичной обмотками, замыкается через магнитопровод 3. Часть
магнитного потока ответвляется и замыкается вокруг обмоток через воздушное
пространство, образуя потоки рассеяния ФS1 и ФS2. Потоки рассеяния индуктируют в обмотках электродвижущую силу, противоположную основному
напряжению. С увеличением сварочного тока увеличиваются потоки рассеяния
и, следовательно, возрастает индуктивное сопротивление вторичной обмотки,
что и создает внешнюю падающую характеристику трансформатора.
Для плавного регулирования сварочного тока изменяют расстояние между обмотками трансформатора. При сближении обмоток (рисунок 5.10, б) происходит частичное взаимное уничтожение противоположно направленных потоков рассеяния ФS1 и ФS2, что уменьшает индуктивное сопротивление вторичной обмотки и увеличивает сварочный ток. Минимальный сварочный ток соответствует наибольшему расстоянию между обмотками (рисунок 5.10, а).
Сварочные трансформаторы портативны, просты по конструкции и в эксплуатации, экономичны. Их КПД составляет 0,8–0,85.
Сварочные генераторы постоянного тока — электрические машины с
приводом от электродвигателя (сварочные преобразователи) или от двигателя
внутреннего сгорания (сварочные агрегаты). Сварочные агрегаты применяют в
местах отсутствия электроэнергии (в полевых условиях). В состав комплекта
войсковых ремонтных мастерских входит агрегат типа АДБ-309, имеющий генератор ГД-303, напряжение холостого хода 75–80 В, пределы регулирования
сварочного тока 15–350 А, двигатель бензиновый "Волга" ГАЗ-320-01.
Сварочные генераторы имеют низкий КПД, равный 0,3–0,6.
Сварочные выпрямители изготовляются с селеновыми и кремниевыми
полупроводниковыми выпрямительными элементами. Они проще, дешевле,
экономичнее сварочных генераторов и за последние годы получили широкое
применение в сварочной технике. Для нормальной работы выпрямителей требуется интенсивное охлаждение, так как полупроводники нагреваются при ра92
боте, что иногда ограничивает мощность выпрямителей. Их КПД составляет
0,6–0,7.
Электроды для дуговой сварки
Дуговая сварка при ремонте РАВ выполняется вручную металлическими
электродами. Электроды представляют собой проволочные стержни длиной
150–450 мм, диаметром от 0,3–12 мм с нанесенными на них покрытиями (обмазкой). ГОСТ 2246-70 предусматривает 77 марок проволоки различного химического состава, предназначенных для сварки углеродистых и легированных
сталей. Кроме того, выпускаются электроды для сварки алюминия и его сплавов: А0, А1, АД, АМц, АМг (ГОСТ 7871-75), для сварки меди и сплавов: M1,
M2, БрКМц 3-1, для наплавки (ГОСТ 10543-75) и др.
При ремонте РАВ чаще всего сваривают электродами диаметром 3–6 мм
при Uр = 18–30 В и Iр = 100–350 А. С целью повышения устойчивости горения
дуги на переменном токе, защиты расплавленного металла от кислорода и азота
воздуха, раскисления и легирования металла шва на стержни наносят покрытия.
Различают тонкие и толстые покрытия.
Тонкие покрытия, имеющие толщину 0,1–0,25 мм, способствуют ионизации дугового промежутка и повышают стабильность горения дуги, так как содержат вещества с низким потенциалом ионизации. Наиболее распространенным веществом для ионизации является мел; связующим служит водный раствор жидкого стекла. Такие покрытия можно изготовить в полевых условиях
при ремонте. Тонкие покрытия не защищают металл от воздействия воздуха,
поэтому качество наплавленного металла получается невысоким.
Толстые (качественные) покрытия имеют значительную толщину (1–3
мм) и содержат кроме ионизирующих веществ еще газообразующие (крахмал,
целлюлоза, магнезит), шлакообразующие (марганцевая руда, полевой шпат,
мрамор и др.), легирующие и раскисляющие (ферросплавы).
Газообразующие составляющие образуют при нагреве защитные газы вокруг дуги.
Шлакообразующие – при расплавлении образуют шлаки, которые защищают металл от воздействия воздуха, замедляют охлаждение металла, что способствует выделению газов и уплотнению шва.
Применение защитных покрытий позволяет получать сварные соединения высокого качества, у которых механические характеристики шва не ниже, а
иногда и выше, чем у основного металла.
Согласно ГОСТ 9467-75 электроды для сварки углеродистых и легированных конструкционных сталей подразделяются на типы, каждому из которых
может соответствовать одна или несколько марок электродов. Марка характеризуется составом покрытия, технологическими свойствами, свойствами металла шва. Для сварки углеродистых и низколегированных (с σв ≤ 600 МПа)
конструкционных сталей ГОСТ предусматривает девять типов электродов: Э38,
Э42, Э42А, Э46, Э46А, Э50, Э50А, Э55, Э60, обозначаемых общим индексом
93
«У»". Для сварки легированных конструкционных сталей с σв > 600 МПа — 5
типов: Э70, Э85, Э100, Э125, Э150, индекс «Л». Для сварки высоколегированных сталей с особыми свойствами 49 типов (ГОСТ 10052-75), индекс «В»; для
наплавки — «Н» и др.
Цифры указывают гарантированный предел прочности металла шва в
2
кг/мм , а буква «А» – повышенные пластические свойства и вязкость.
Помимо типа электрода указывается и марка покрытия.
Кислые покрытия — А (АНО-2, СМ-5 и др.) состоят из оксидов железа и
марганца, кремнезема, ферромарганца. Технологичны, однако, наличие оксидов
марганца делает их токсичными.
Рутиловые покрытия — Р (АНО-3; АНО-4, ОЗС-3, МР-3 и др.) имеют в
составе преобладающее количество рутила. Технологичны, менее токсичны.
Основные покрытия — Б (УОНИ-13/45, УП-1/45, ДСК-50 и др.) не содержат оксидов железа и марганца. Например, УОНИ-13/45 состоят из мрамора,
плавикового шпата, кварцевого песка, ферросплавов. Металл шва обладает высокой пластичностью. Применяют для ответственных конструкций.
Целлюлозные покрытия Ц (ЦМ-7, ВСЦ-1 и др.) удобны для сварки в любом пространственном положении, но дают металл пониженной пластичности.
Выбор режима сварки
Выбор режима сварки заключается в установлении величины сварочного
тока, длины дуги, в выборе типа и диаметра электрода.
Диаметр электрода выбирают в зависимости от толщины свариваемого
металла. Например, для стыковых швов:
Толщина стали, мм
0,5–2,0
3–5
5–10
более 10
Диаметр электрода, мм
1,5–5
3–4
4–5
5–6
Сила сварочного тока определяется в зависимости от диаметра электрода
и марки электродного покрытия. Указания на этот счет обычно отпечатаны на
упаковке электродов. При их отсутствии можно воспользоваться ориентировочной зависимостью.
I = к·dэ, A,
где к – опытный коэффициент, равный 40–60 для электродов со стержнем из низкоуглеродистой стали и 35–40 для электродов со стержнем из высоколегированной стали; dэ – диаметр стержня электрода, мм.
Длина дуги приближенно определяется по формуле l 
dэ
 1 , мм.
2
Длинной дуге соответствует интенсивное окисление, азотирование и повышенное разбрызгивание металла. При короткой дуге часты короткие замыкания через капли расплавленного металла («прилипание» электрода).
94
Техника сварки заключается в ее проведении на металлическом столе, к
которому подсоединен один провод от источника тока. Второй провод присоединяют к держателю электрода. Зажигание дуги производят коротким замыканием электрода на заготовку. Приближение электрода к изделию производится
быстрым движением, удаление его – замедленно и на небольшое расстояние,
равное длине дуги.
Во время работы электросварщик сообщает концу электрода движение в
трех направлениях:
а) поступательное — вдоль оси электрода для поддержания необходимой
длины дуги;
б) вдоль оси валика, для образования сварного шва;
в) колебание электрода поперек шва для уширения валика шва.
При сварке следует применять ток с полярностью, указанной для данной
марки электрода. Обратная полярность тока будет в том случае, если отрицательный полюс источника тока подключается к свариваемой детали.
Свариваемость — характеристика металла, определяющая его пригодность к образованию сварного соединения (при рациональном технологическом
процессе). Основные признаки, характеризующие свариваемость сталей,
склонность к образованию трещин и механические свойства сварного соединения.
Свариваемость стали, зависит главным образом от химического состава и
структурного состояния стали. Углерод до 0,25% не ухудшает свариваемости.
При более высоком содержании — свариваемость заметно ухудшается, так как
в зонах термического влияния образуются структуры закалки, приводящие к
трещинам. Марганец в обычных пределах (0,3–0,8%) сварку не затрудняет. В
специальных сталях (1,8–2,5% Мn) возникает опасность появления трещин, так
как марганец способствует увеличению закаливаемости стали. Кремний в
обычных пределах (0,02–0,3%) не вызывает затруднений при сварке. При увеличении содержания кремния до 0,8–1,5% условия сварки ухудшаются из-за
повышения жидкотекучести стали и образования тугоплавких оксидов кремния.
Хром при сварке образует карбиды хрома, понижающие коррозионную стойкость стали и резко повышающие твердость в зонах термического влияния. Никель увеличивает пластические и прочностные свойства стали, измельчает зерно, не ухудшая свариваемости.
О свариваемости легированной стали ориентировочно судят по углеродному эквиваленту
Сэ  С 
Мn Cz V M o Ni

 

, %.
6
5 5
4 15
Все стали по свариваемости можно разделить на четыре группы:
I группа — хорошо сваривающиеся Сэ ≤ 0,25;
П группа — удовлетворительно сваривающиеся Сэ = 0,25–0,35;
Ш группа — ограниченно сваривающиеся Сэ = 0,35–0,45;
95
IV группа — плохо сваривающиеся Сэ = 0,45–0,55.
Детали, изготовленные из сталей I группы, не требуют специального термического режима сварки.
Для сталей II группы: углеродистые стали также не требуют соблюдения
какого-либо термического режима; легированные стали необходимо подогревать перед сваркой до 250–3500С, а после сварки медленно охлаждать.
Углеродистые стали III группы требуют предварительного подогрева до
150–2500С и медленного охлаждения после сварки (наплавки). Легированные
стали III группы: кроме подогрева до 250–3500С, после сварки — повторный
подогрев до 300–4000С с последующим замедленным охлаждением (отжиг).
Детали из сталей IV группы трудно поддаются сварке (наплавке), склонны
к образованию трещин. Рекомендуется соблюдать такой же термический режим, как и для легированных сталей III группы.
5.10 Газовая сварка и резка металла
Сущность процесса газовой сварки
Газовой сваркой называется сварка плавлением, при которой нагрев кромок соединяемых деталей происходит пламенем газов, сжигаемых на выходе
горелки.
Сущность газовой сварки заключается в следующем (рисунок 5.11). В
сварочную горелку I подаются кислород и горючий газ (обычно ацетилен), которые при выходе из горелки образуют горючую смесь, воспламеняемую при
температуре 400–4200 С. Сварочное пламя 2 расплавляет основной 3 и присадочный 4 металл с образованием сварочной ванны. При остывании ванны происходит совместная кристаллизация основного и присадочного металла, что
приводит к образованию сварного шва.
Рисунок 5.11 – Схема газовой сварки
Основное достоинство газовой сварки – универсальность с точки зрения
как сварки металлов различных толщин, так и свойств. Газовой сваркой можно
сваривать малые толщины от 0,2 мм и выше, цветные металлы, металлы, требующие медленного нагрева и охлаждения, производить пайку, наплавочные
96
работы, термообработку. К недостаткам газовой сварки относятся: трудность
автоматизации процесса, длительное тепловое воздействие на свариваемый металл (зона термического влияния до 25–30 мм).
С учетом этого наиболее широко применяют газовую сварку при ремонте
вооружения в полевых условиях. В состав ремонтных мастерских входит пост
газовой (кислородно-ацетиленовой) сварки.
Применяемые газы и характеристика сварочного пламени
Для сварки многих металлов практически пригодно пламя с температурой не ниже 30000С. Только в этом случае будет обеспечена универсальность
способа. Такую температуру (до 32000 С), достаточную для сварки стали, дает
ацетилен при сжигании в технически чистом кислороде. Ни один другой промышленный горючий газ не может дать температуру выше 2500–2700 0С (водород, природный газ, пары бензина и т.п.). Сжигание ацетилена (тем более других газов) в воздухе дает пламя со слишком низкой температурой (до 2000 0 С),
что объясняется большим содержанием в воздухе инертных газов, снижающих
пирометрический эффект.
Таким образом, для газовой сварки необходимы два газа: кислород и ацетилен.
Кислород получают из воздуха, хранят и используют в стальных баллонах
емкостью 40 л, которые вмещают 6 м3 газа при давлении 15 МПа (150 атм).
Баллоны окрашены в голубой или синий цвет.
Ацетилен – непредельный углеводород С2Н2 получают в ацетиленовых
генераторах из карбида кальция (сплав извести с углем при высокой температуре) путем разложения его в воде:
СaС2  2H2O  C2 H2  Ca(OH )2  Q
Реакция протекает с выделением тепла. Из 1 кг карбида кальция выделяется около 300 л ацетилена. Получение ацетилена в генераторах производится
непосредственно на месте сварки. В ряде случаев это неудобно, но хранение
ацетилена в баллонах связано с большими трудностями, так как чистый ацетилен в больших объемах при давлении более 2 атм взрывоопасен. Хранить и
транспортировать ацетилен можно растворенным в ацетоне, которым пропитана пористая масса, заполняющая баллон. В этом случае можно поднять давление до 15 атм (1,5 МПа). Баллоны с ацетиленом окрашивают в белый цвет.
Сварочное газовое пламя служит: а) для расплавления металла; б) восстановления, науглероживания и окисления ванны (то есть для защиты).
Получение пламени того или иного характера достигается изменением
соотношения горючего газа (ацетилена) и кислорода в смеси.
Нормальное пламя (соотношение объемов кислорода и ацетилена О2:С2Н2
 1) является восстановительным и применяется наиболее часто (сварка углеродистых и легированных сталей, цветных металлов, пайка, наплавка, резка и
др.).
97
Рисунок 3.12 – Распределение температуры по зонам пламени:
1 – ядро пламени; 2 – рабочая зона; 3 – факел
Науглероживающее пламя отличается от нормального избытком ацетилена (О2:С2Н2 = 0,8–0,9) и применяется при сварке чугуна, высокоуглеродистых
сталей, так как пополняет углерод, выгорающий при сварке.
Окислительное пламя с избытком кислорода (О2:С2Н2 = 1,2–1,5) применяется редко, например, при сварке латуней (для уменьшения испарения цинка и
других элементов за счет образования оксидной пленки).
Строение нормального ацетиленокислородного пламени показано на рисунке 3.12. Ядро пламени 1 имеет яркое свечение. Здесь происходит разогрев
ацетилена с выделением частиц углерода. Температура относительно невысока
(300–10000С). В рабочей зоне 2 наблюдается наивысшая температура до
32000С. В ней ацетилен сгорает в кислороде по реакции: С2Н2 + О2 = 2СО + Н2.
Оксид углерода и водород защищают жидкий металл от поглощения кислорода и азота из воздуха. Для более полной защиты и раскисления металла
применяют флюсы (кварцевый песок, буру, борную кислоту, соду, поташ и др.).
Флюсы применяют в виде порошков или паст, наносимых на основной металл
или на присадочный пруток в виде обмазок. Действие их такое же, что и при
дуговой сварке. При сварке углеродистой стали флюсы не применяют, так как в
этом случае пламя хорошо защищает металл от окисления. Чугуны, легированные стали, медь, алюминий, магний и их сплавы необходимо сваривать с флюсами. В факеле 3 остатки газов сгорают в кислороде воздуха.
Сварку производят второй (рабочей) зоной пламени.
Газокислородная резка металла
При производстве и ремонте вооружения очень часто возникает необходимость разрезать заготовку (например, лист или сортовой прокат) на части,
вырезать дефектное место и т.п. Эффективным способом для этого является газокислородная резка.
98
Газокислородная резка основана на способности металла сгорать в струе
чистого кислорода с выделением значительного количества тепла. Например,
при горении железа
3 Fe + 2 O2 = Fe3O4
выделяется 1580 ккал на 1 кг (6600 кДж).
Высококачественная резка возможна лишь в том случае, если металл горит в твердом состоянии. Если металл загорается лишь в расплавленном состоянии, то происходит вытекание металла, значительное расплавление и рез получается широким и неровным (как при дуговой сварке).
Таким образом, основное требование при резке: температура воспламенения металла должна быть ниже его температуры плавления, а температура
плавления окислов – ниже температуры плавления металла. Кроме того, металл
не должен иметь высокую теплопроводность.
Температура воспламенения малоуглеродистых сталей зависит от состава
и лежит в пределах 1000–12000С. При увеличении содержания углерода температура воспламенения повышается с одновременным понижением температуры
плавления. Практически хорошо режутся стали с содержанием углерода до
0,7% (максимально до 1%) и некоторые легированные стали. Чугун, алюминиевые и медные сплавы непосредственно струей кислорода не режутся. Их можно
резать с помощью флюсов, которые шлакуют тугоплавкие окислы этих металлов.
Газовая резка стали осуществляется специальными режущими горелками
– резаками, которые отличаются от сварочных горелок наличием канала для
поступления кислорода.
По кольцеобразному каналу I мундштука поступает горючая смесь
(С2Н2+О2), которая сгорает и образует пламя, необходимое для подогрева металла до tвоспл. Когда металл разогреется, через канал 2 пускают струю режущего кислорода, сжигающую металл и выдувающую окислы (шлак). При горении
металла выделяется тепло, которое вместе с теплом пламени нагревает близлежащие слои металла и при перемещении резака в струе кислорода сгорают новые частицы металла, образуя рез по ходу движения резака.
Для резки чаще всего используют ацетилен, но можно с успехом применить и другой промышленный газ, а также пары бензина и керосина, так как
при резке не нужна такая температура пламени, как при сварке. Для резки практически пригодны горючие газы и пары горючих жидкостей, дающие температуру пламени не ниже 18000 С.
Техника и режим резки
Кислородно-флюсовая резка. Обычная кислородная резка хромистых,
хромоникелевых сталей, а также чугуна, меди и ее сплавов практически невозможна. Для резки этих металлов применяют кислородно-флюсовую резку, ко99
торая заключается в том, что в струю режущего кислорода подают порошкообразный флюс (обычно железный порошок).
Подводимый к месту реза флюс при сгорании выделяет дополнительное
тепло, способствующее расплавлению тугоплавких окислов. Расплавленные
окислы образуют жидкие шлаки, которые стекают и не препятствуют процессу
резки. Установка состоит из резака и флюсопитателя.
Перед резкой лист около кромки нагревают до светло-красного каления,
затем подают струю режущего кислорода.
Если рез нужно начать не от кромки, то в соответствующем месте сверлят
отверстие, с которого и начинают рез.
При резке листов толщиной до 10 мм применяют «пакетную» резку (сразу несколько листов).
Производительность резки сильно зависит от чистоты кислорода. Все
нормы для резки задают для кислорода с чистотой 90%. Снижение чистоты на
1% повышает машинное время резки на 10-15% и расход кислорода на 20-30%.
Ширина реза зависит от толщины металла и может быть определена по
формуле
S = α + кδ, мм,
где α и к – постоянные, зависящие от конструкции резака и т.п. В среднем
α = 2 мм, к = 0,02, δ – толщина металла в мм.
По формуле определяется ширина реза на входе струи. На выходной стороне рез несколько расширяется: тем больше, чем больше толщина металла.
Уширение может составлять 10-50%.
Резаками обычной конструкции можно разрезать металл до 300 мм толщиной. Для резки металла толщиной до 3000 мм пользуются кислородным копьем, которое представляет собой длинную трубку наружным диаметром 8–10
мм, внутренним 2–4 мм. Процесс резки заключается в прожигании металла
струей кислорода, проходящей через стальную трубку, прижатую концом к металлу. Резка производится без использования газового подогревательного пламени, которое заменяется сгоранием металла самой трубки – копья.
Конец копья подогревается (горелкой или дугой), при пропускании кислорода конец копья загорается и выделяется тепло для подогрева металла. По
мере сгорания копья оно подается вперед (0,15–0,4 м/мин), выжигая отверстие с
гладкими стенками. Диаметр прожигаемого отверстия 20-60 мм, глубина до 3
м, давление кислорода 5–7 атм, расход кислорода 30–60 м3/час.
100
5.11 Оборудование и технология газовой сварки
Оборудование сварочного поста
Как в стационарных, так и в полевых условиях для выполнения газосварочных работ оборудуется рабочее место, называемое сварочным постом. В
состав рабочего поста входит:
а) основное оборудование: ацетиленовый генератор или баллон с ацетиленом; баллон с кислородом; кислородный редуктор; сварочная горелка (резак)
с набором наконечников; соединительные шланги;
б) вспомогательное оборудование; металлический стол, поверхность которого выложена огнеупорным кирпичом; подставка для горелки; коробка с
присадочной проволокой; ящик с инструментом; фартук, защитные очки, бак с
водой.
Ацетиленовым генератором называется аппарат для получения газообразного ацетилена путем разложения карбида кальция водой. Предназначен для
питания ацетиленом аппаратуры газопламенной обработки металла.
Согласно ГОСТ 5190-88 ацетиленовые генераторы классифицируются
следующим образом:
- по производительности: 0,5; 0,75; 1,25; 2,5; 3; 5; 10; 20;40; 80; 160 и
320 м3/ч ацетилена;
- по устройству – на переносные (до 3 м3/ч) и стационарные;
- в зависимости от давления, вырабатываемого ацетилена: низкого давления до 0,1 кг/см2 (10 кПа); среднего давления – от 0,1 до 0,7 кг/см2 (10–70
кПа) и высокого от 0,7 до 1,5 кг/см2 (70–150 кПа). Аппараты более высокого
давления не применяют из-за взрывоопасности (при давлении свыше 2 атм
ацетилен взрывоопасен);
- в зависимости от системы регулирования взаимодействия карбида
кальция с водой: «карбид в воду», «вода на карбид», «вытеснение», а также
комбинированные, например, «карбид в воду + вытеснение».
Температура воды и гашеной извести в реакторе не должна превышать
0
80 С, а получаемого газа – 1150С. Ацетилен, поступающий в шланг горелки,
должен иметь температуру, превышающую температуру окружающей среды не
более чем на 10–150С, то есть необходимо наличие охладителя; избыточное
давление в генераторе не должно превышать 1,5 кг/см2 (150 кПа).
Рассмотрим принцип действия генератора АСП-1,25-7, применяемого в
артиллерийских ремонтных мастерских (производительность 1,25 м3 /ч, рабочее
давление ацетилена 10–70 кПа).
Генератор (рисунок 5.13) состоит из газообразователя 1 и промывателя 3,
объединенных в одном корпусе, корзины для карбида 6, водяного затвора 4,
клапана 5, штуцеров, шлангов, манометра и других деталей. Карбид кальция загружается в корзину, подвешенную на мембране, и опускается в реактор, заполненный водой до определенного уровня. Образовавшийся ацетилен отводится по трубке 2 в промыватель, где, барботируя через слой воды, очищается,
охлаждается и через клапан 5 и затвор 4 подается на потребление.
При повышении давления ацетилена (по отношению к настроенному) в
реакторе мембрана прогибается и поднимает корзину вверх, что ограничивает
выработку ацетилена. При понижении давления — наоборот, корзина опускает101
ся и происходит замочка карбида кальция. Кроме того, при повышении давления вода из газообразователя уходит в вытеснитель, а при уменьшении — занимает прежний объем. При увеличении давления выше допустимого предела
(150 кПа) срабатывает предохранительный клапан, и часть газа стравливается в
атмосферу.
В зимнее время на генератор надевают утепляющий чехол.
Рисунок 5.13 – Генератор среднего давления АСП-1,27-7
Рисунок 5.14 – Схема водяного затвора:
а) нормальная работа; б) "обратный удар"
Затвор (рисунок 5.14) служит для предохранения генератора от проникновения в него взрывной волны ацетиленокислородного пламени (так называемый "обратный удар"). При нормальной работе ацетилен проходит по трубке 1
через обратный клапан 2 в корпус 3 и ниппель 5, далее в горелку или резак. При
обратном ударе пламени давление в затворе повышается, и вода закрывает об102
ратный клапан 2, предотвращая прохождение в затвор взрывной волны. Затвор
наполняется водой до уровня крана 6. Диск 4 служит для гашения волны.
Кислородный редуктор служит для понижения давления кислорода в
баллоне (15 МПа) до рабочего (0,1–0,4 МПа) и поддержания этого давления постоянным в процессе сварки (рисунок 5.15). Давление газа в баллоне и на выходе редуктора (рабочее) контролируется двумя манометрами 2 и 6. Регулировка
рабочего давления осуществляется поджатием пружины 7 с помощью винта 9.
Рисунок 5.15 – Кислородный редуктор: 1 – камера высокого давления;
2, 6 – манометры; 3, 7 – пружины; 4 – клапан; 5 – камера низкого давления;
8 – мембрана; 9 – регулировочный винт
Сварочная горелка – устройство, служащее для смешивания горючего газа с кислородом и получения сварочного пламени. В производстве и ремонте
вооружения широкое распространение получили горелки, работающие на
принципе инжекции, то есть подсосе ацетилена кислородом из баллона (рисунок 5.16).
Рисунок 5.16 – Инжекторная газовая горелка:
1 – мундштук; 2 – наконечник; 5 – кислородный вентиль; 6 – кислородная трубка; 7 – ацетиленовый вентиль; 8 – сопло инжектора
В них подачу ацетилена осуществляют подсосом его струей кислорода,
подаваемого в горелку с большим давлением, чем ацетилен. Этот процесс под103
соса называется инжекцией. Выходя с большой скоростью из узкого канала 6,
кислород создает разрежение в камере инжекции и засасывает горючий газ в
камеру смесителя 3, где и образуется горючая смесь, поступающая по наконечнику 2 к мундштуку 1, на выходе которого при сгорании образуется сварочное
пламя. Достоинство такой горелки — универсальность, то есть возможность
работы на ацетилене как низкого, так и среднего давления. Кислород подается
из баллона под давлением 0,1–0,4 МПа (1–4 атм). Универсальная горелка ГС-3
имеет несколько сменных наконечников для сварки различных толщин металлов (от 0,3 до 30 мм), а также специальные наконечники: многопламенные, для
подогрева, пайки и др.
Режимы и технология газовой сварки
Основными параметрами режима газовой сварки, влияющими на качество
сварного шва, являются:
- вид сварочного пламени (нормальное или науглероживающее);
- направление движения горелки (правая или левая сварка);
- наклон наконечника сварочной горелки по отношению к основному
металлу;
- характеристика присадочного металла и флюса;
- мощность сварочного пламени и соответственно мощность горелки;
- скорость сварки и некоторые др.
Рассмотрим кратко основные соображения по выбору этих параметров.
 Вид сварочного пламени определяется специфическими свойствами
свариваемых металлов. Нормальным пламенем сваривают большинство металлов и сплавов; науглероживающим – чугуны; окислительным – латуни.
 Способ сварки – это порядок перемещения горелки и присадочного
материала при сварке; различают левый и правый способы (кадр диафильма).
Л е в а я с в а р к а – наиболее распространена, ее применяют при сварке
тонких (до 3–5 мм) и легкоплавких металлов. Горелку перемещают справа
налево, а присадочную проволоку ведут впереди пламени, которое направлено
на еще несваренный участок шва. Левая сварка производительнее правой (для
малых толщин), так как пламя подогревает впереди лежащие кромки. Мощность пламени берут 100–130 л ацетилена в час на I мм толщины металла (для
стали).
П р а в а я с в а р к а – целесообразна для соединения металла толщиной
более 5 мм, а также металла высокой теплопроводности (например, медь). Качество шва выше, так как расплавленный металл лучше защищен пламенем, которое одновременно отжигает металл и замедляет его охлаждение. Мощность
пламени берут больше: 120–150 л ацетилена на I мм толщины (для стали).
Угол наклона мундштука горелки влияет на распределение теплоты по
изделию, глубину проплавления и зависит от толщины листов и теплофизиче104
ских свойств металла. Чем тоньше металл и ниже его теплопроводность, тем
меньше угол наклона горелки и наоборот. Скорость сварки тем больше, чем
меньше угол, так как тем больше тепла передается от пламени металлу и тем
быстрее он будет нагреваться (но меньше глубина проплавления).
 Присадочная проволока для газовой сварки применяется та же, что и
для электродов при дуговой сварке. Для сварки низкоуглеродистой
стали – проволока марок Св-08, Св-08А, Св-15Г, Св-08 ГС, Св-08 Г2С.
Для сварки чугуна – специальные литые чугунные стержни с повышенным содержанием углерода и кремния. Для наплавки износостойких покрытий
выпускают стержни литых твердых сплавов, например, сплав сормайт, разработанный сормовским заводом. Для сварки меди, латуни, алюминия применяют
проволоку из цветного металла соответствующей марки.
Категорически запрещается пользоваться проволокой неизвестного химического состава.
Диаметр присадочной проволоки выбирается в зависимости от способа
сварки и толщины свариваемого металла.
При левом способе
d 
S
 I , мм ;
2
при правом способе
d 
S
, мм .
2
При сварке металла толщиной более 10 мм диаметр присадочного материала d = 6 мм (иногда 8 мм).
 Флюсы предназначены для защиты расплавленного металла от контакта с воздухом, растворения оксидов и перевода их в шлак.
Во флюсы могут вводиться восстановители, раскислители и легирующие
элементы.
Для флюсования оксидов металлов основного характера (FeO) во флюсы
вводят оксиды кислотного характера, например, двуокись кремния SίО2 (кварцевый песок, толченое оконное стекло) и борный ангидрид В2О3 (бура, борная
кислота).
Для флюсования оксидов кислотного характера (например, SίО2) применяются соединения, дающие основные оксиды: сода Na2Со3, поташ К2СО3, образующие в зоне сварки основные оксиды Na2О и К2О.
Для флюсов-растворителей применяют главным образом галоидные соли
щелочных и щелочноземельных металлов NaСl, KCl, LiCl, CaCl2, NaF, KF, CaF2
и др. (например, сварка алюминия).
При сварке углеродистой стали флюсы обычно не применяют, так как рабочая зона пламени обладает восстановительными свойствами.
С2Н2 + О2 = 2 СО + Н2.
105
Для сварки меди, латуней, алюминия, чугуна, легированных сталей, магния и т.п. необходимо применять флюсы.
 Мощность пламени оценивают условно по расходу ацетилена, который вычисляют по формуле:
А = К ∙ S,
где S – толщина свариваемых деталей, мм;
К – коэффициент, определяемый экспериментально и зависящий от физико-химических свойств свариваемых металлов. Для углеродистых сталей чугуна К = 100–120, легированных сталей К = 70–80, меди К = 160–200, алюминия
К = 75.
По мощности пламени определяют номер наконечника сварочной горелки (таблица 5.1)
Таблица 5.1 – Характеристики наконечников горелки ГС-3
Номер
0
1
2
наконечника
Толщина
металла, мм 0,3–0,6 0,5–1,5 1,0–2,5
(сталь)
Расход
ацетилена,
25-60 50-125 120-240
л/ч
Диаметр
отверстия
0,6
0,85
1,15
мундштука,
мм
3
4
5
6
7
2,5–4,0
4–7
7–11
10–18
17–30
230-400
1,5
400-700 660-1100 1050-1750 1700-2800
1,9
2,3
2,8
3,5
В таблице 5.1 толщина свариваемого металла приведена для углеродистой стали; для другого материала эти значения (вторая строчка таблицы) будут
другие.
Техника сварки
Технически возможна газовая сварка металлов толщиной до 30 мм, однако для толщин более 5 мм она экономически нецелесообразна, так как менее
производительна, чем дуговая.
При газовой сварке самыми распространенными являются стыковые соединения, реже применяются угловые. Соединений внахлестку и тавровых следует избегать, так как они требуют интенсивного нагрева металла и дают повышенное коробление изделия.
Процесс газовой сварки заключается в следующем:
- сначала открывается вентиль кислорода, затем ацетилена. Смесь газов
поджигается;
- с помощью вентилей регулируется соотношение кислорода и ацетилена (вид пламени), а также мощность пламени (с учетом номера наконечника и
мундштука);
- пламя горелки направляют на свариваемый металл так, чтобы кромки
металла находились в восстановительной зоне на расстоянии 2–4 мм от конца
106
ядра. Касаться расплавленного металла ядром нельзя, так как это вызывает
науглероживание металла ванны. Конец присадочной проволоки также должен
находиться в восстановительной зоне или погружаться в расплавленный металл;
- перемещения мундштука при сварке: основное – вдоль шва; вспомогательное – поперечное (круговое) для регулирования скорости прогрева и образования шва нужной формы.
5.12 Пайка материалов
Пайка наряду со сваркой является одним из важнейших технологических
процессов соединения металлов во многих отраслях техники. В производстве и
ремонте ракетно-артиллерийского вооружения широкое применение пайка
находит при изготовлении печатного и навесного монтажа приборов управления огнем, герметизации резьбовых соединений в ПОУ орудий, изготовлении
режущего инструмента в ремонтных условиях, ремонте радиаторов тяговых автомобилей, артиллерийских приборов, контактов штепсельных разъемов и как
заменитель сварки при соединении деталей вооружения. Ее широкое применение объясняется целым рядом преимуществ перед сваркой. При пайке значительно меньше нагрев деталей, что не приводит к изменению структуры и механических свойств металла; более высокая точность из-за меньшего уровня
остаточных напряжений; лучше внешний вид соединения; возможно соединение разнородных материалов.
Сущность и основные способы пайки
Пайка – процесс получения неразъемного соединения металлов в твердом состоянии с помощью расплавленного присадочного материала (припоя).
Сущность пайки заключается в следующем: расплавленный припой растекается
по нагретым и очищенным поверхностям, смачивает их с частичным растворением и диффузией, а после затвердевания обеспечивает неразъемное соединение.
Для осуществления процесса пайки необходимо выполнение следующих
условий: а) поверхности деталей должны быть чистыми от загрязнений и оксидных пленок; б) припой должен как можно лучше смачивать металл деталей; в)
температура плавления припоя должна быть ниже температуры плавления основного металла; г) между деталями должен быть зазор определенной величины для затекания припоя.
Смачиванию основного металла жидким припоем и их взаимодействию
препятствуют оксидные и жировые пленки. Эти пленки должны тщательно
удаляться с поверхности деталей непосредственно перед пайкой механически
(зачисткой) или химически (травлением). Однако в процессе пайки на поверхности металла при контакте с воздухом вновь образуются оксиды, нитриды,
107
сульфиды и др. Для предотвращения этого применяют флюсы, защитную атмосферу или вакуум.
Заполнение зазора припоем происходит под влиянием силы тяжести и
капиллярных сил. При назначении зазора следует учитывать, что сила тяжести
проявляет себя только при соответствующем пространственном положении зазора. Капиллярные силы могут действовать независимо от пространственного
положения зазора, но при определенной его величине. Как при очень малом,
так и при излишне большом зазоре капиллярные силы могут отсутствовать, а
сила тяжести оказаться недостаточной или направленной не в ту сторону. В результате паяный шов может оказаться несплошным. Экспериментально установлено, что наибольшая прочность паяных соединений деталей, изготовленных из различных материалов и паяных различными припоями, достигается
при зазорах от 0,02 до 0,2 мм.
С помощью пайки можно соединять: углеродистые и легированные стали
всех марок, в том числе инструментальные и нержавеющие, твердые сплавы и
ковкие чугуны, все цветные металлы и их сплавы, благородные и редкие металлы и т.д., причем возможно прочное соединение разнородных металлов, а в ряде случаев – металлов с неметаллами (стеклом, керамикой и т.п.).
В соответствии с ГОСТ 17349-71 все существующие способы пайки
можно классифицировать по следующим признакам:
1. По температуре нагрева материала и припоя в месте контакта:
 низкотемпературная или пайка мягкими припоями, при которой
нагрев не превышает 4500С (7230К);
 высокотемпературная или пайка твердыми припоями, при которой
нагрев в месте контакта выше 4500С (723 К).
2. По источнику нагрева: пайка паяльником, газопламенная, электрическая, в расплаве солей или припоя, печная и некоторые другие.
Пайка паяльником является наиболее известным и широко применяемым
способом низкотемпературной пайки. Паяльники могут быть с непрерывным
подогревом (электрические) и с периодическим подогревом (в горне, паяльной
лампой и пр.). Рабочая часть паяльника изготовляется из меди марок М1 и М2;
форма паяльника должна соответствовать форме соединения. Наиболее удобны
в работе паяльники с электрическим нагревом. Они маркируются ПН-10, ПН16, ПН-250 (число указывает мощность в ваттах).
Газопламенная пайка осуществляется с помощью паяльных ламп и газовых горелок (как специальных с широким факелом, так и нормальных сварочных). Газовые горелки могут работать как на ацетилене, так и на любом другом
горючем газе с применением кислорода или воздуха.
Пайка погружением в расплав является наиболее производительной и
широко применяется в массовом производстве. Скрепленные детали погружают
в расплавленный припой в ванне, покрытой слоем флюса, или в расплав солей.
Электрическая пайка делится на пайку сопротивлением (нагрев осуществляется за счет прохождения электрического тока через паяемые изделия),
индукционную (токами высокой частоты), электродуговую.
108
Печная пайка осуществляется с нагревом в электрических или пламенных
печах (в полевых условиях – в кузнечных горнах). Это обычно высокотемпературная пайка. Она может проводиться в воздушной атмосфере или в среде защитных газов (аргон, гелий, водород, метан), а также в вакууме.
При пайке-сварке соединение образуется так же как и при сварке плавлением, но в качестве присадочного металла применяется припой.
При сварке-пайке соединяют разнородные материалы, при этом более
легкоплавкий материал выполняет роль припоя.
Весьма важным, как и при сварке, является выбор типа соединения. Типы
паяных соединений показаны на рисунке 5.17. Нахлесточное соединение обеспечивает наибольшую прочность, сопоставимую с прочностью основного металла. Стыковое соединение имеет лучший внешний вид и применяется, когда
удвоение толщины металла нежелательно. Соединение в скос (“ус”) совмещает
преимущества первых двух способов, но требует усложненной подготовки
кромок.
Рисунок 5.17 – Типы паяных соединений
Материалы и технология пайки
К основным материалам, применяемым для пайки, относятся флюсы и
припои.
Флюсы во время пайки выполняют следующие задачи: а) защищают поверхность металла и припоя от окисления; б) растворяют и удаляют окислы и
загрязнения с поверхности металла; в) улучшают смачиваемость и растекание
припоя.
Для пайки применяют флюсы трех типов:
 кислотные или активные;
 активированные;
 бескислотные (неактивные).
109
Активные флюсы (хлористый цинк ZnCl2 и его растворы, бура Na2B4O7,
их смеси и т.п.) применяются преимущественно для пайки твердыми припоями.
Они интенсивно растворяют оксидные пленки, обеспечивая высокую прочность
соединения. Остаток флюса вызывает интенсивную коррозию металла, поэтому
после пайки детали нужно тщательно промывать. Например, для пайки проводников при монтаже электрорадиоаппаратуры применять активные флюсы категорически запрещено.
Бескислотные (неактивные) флюсы (канифоль, ее растворы, глицерин,
воск, стеарин, вазелин и их смеси) хорошо очищают медь, латунь и другие
цветные сплавы и применяются преимущественно для пайки мягкими припоями. Остатки этих флюсов негигроскопичны, неэлектропроводны и не вызывают
коррозии, что особенно ценно при монтаже электрорадиоаппаратуры.
Активированные — это флюсы на основе канифоли с добавкой активаторов (салициловая кислота, солянокислый анилин и др.) для улучшения растворения оксидов. Обладают слабо корродирующими свойствами.
Припои делятся на высокотемпературные (твердые) и низкотемпературные (мягкие).
Высокотемпературные (твердые) припои обладают значительной механической прочностью (σв до 500 МПа) и применяются для соединения нагруженных деталей машин, частей режущего инструмента и т.п. В качестве твердых припоев применяются медные, медноцинковые и серебряные. Отдельную
группу составляют алюминиевые припои. Наиболее важные припои стандартизированы. В таблице 5.2 приведен состав и примерное назначение некоторых
припоев по ГОСТ 8180-70.
Низкотемпературные (мягкие) припои имеют малую механическую
прочность (σв = 30–100 МПа), поэтому применяются главным образом для
уплотнения шва, придания ему герметичности и хорошего контакта между деталями (например, электрического). Если соединение подвергается воздействию значительных нагрузок, рекомендуется до пайки скреплять детали заклепками, шпильками, резьбой, точечной сваркой и т.п. Например, герметизация резьбы в ПОУ.
Таблица 5.2 – Высокотемпературные припои
Химсостав, %
Температура, 0С
Марка
солидус ликвидус
Cu
Ag
Zn
Медь М1
ПМЦ 54
ПМЦ 36
Л62
100
54
36
62
-
46
64
38
1083
875
800
900
1083
885
825
905
ПСр72
ПСр45
ПСр25
28
30
40
72
45
25
25
35
730
600
745
755
725
775
110
Соединяемые
металлы
Сталь, чугун, твердые сплавы, тяжелые цветные сплавы
(медные, никелевые
и др.)
То же, когда требуется
повышенная
электропроводность
Наибольшее применение имеют мягкие припои на основе системы «олово-свинец». В таблице 5.3 приведены основные мягкие припои по ГОСТ 149970. Мягкие припои изготовляются в виде прутков, проволоки, трубок, набитых
флюсом, порошка.
Таблица 5.3 – Низкотемпературные припои
Химсостав, %
Температура, 0С
Марка
Назначение
Sn
Sв
Pв
солидус ликвидус
ПОС-90
90
0,15
ост.
183
220
ЭлектрорадиоПОС-61
61
0,8
ост.
183
185
монтажные работы
Пайка стали, медПОС-50
50
0,8
ост.
183
210
ных и цинковых
ПОС-30
30
2
ост.
183
256
сплавов
То же для неответПОС-18
18
2,5
ост.
183
277
ственных деталей
Технологический процесс пайки складывается из следующих основных
операций: выбора способа пайки, припоя, флюса и типа паяного соединения;
назначения режима пайки; подготовки поверхностей соединяемых изделий и
собственно пайки. Например, процесс соединения деталей при ремонте вооружения с помощью твердого припоя состоит из следующего.
1. Обезжиривание поверхностей в горячей щелочи, керосине, бензине,
ацетоне, спирте и т.п.
2. Механическая очистка оксидных пленок наждачной бумагой, шлифкругами, щетками и т.д.
3. Сборка деталей с нанесением припоя и флюса (между кромками или
около места пайки).
4. Скрепление собранных деталей проволочными связками, шпильками,
точечной сваркой и др.
5. Покрытие поверхностей, которые не должны облуживаться, пастой из
мела, глины, графита и т.п.
6.Нагрев деталей до температуры на 50–1000С выше температуры плавления припоя (точки ликвидус).
7. Охлаждение, промывка и очистка деталей от остатков флюса и припоя.
5.13 Склеивание материалов
Склеиванием называется процесс образования неразъемных соединений с
помощью клеев, клеевых композиций и компаундов.
Достижения современной химии предоставили в распоряжение конструкторов и технологов широкий ассортимент клеев. Достаточная прочность, разнообразные варианты склеиваемых материалов, стойкость к различным средам
позволяют считать склеивание достаточно надежным, а в ряде случаев и единственно приемлемым способом получения неразъемных соединений.
111
Кроме того ценным является возможность производить данным способом
ремонт металлических и неметаллических деталей, имеющих трещины, раковины, поры, мелкие и крупные пробоины.
Основные достоинства склеивания:
 Возможность соединять любые материалы — металлы, пластмассы,
кожу, резину, стекло, керамику, дерево, бумагу и другие друг с другом и в любом сочетании.
 Склеивание позволяет соединять материалы любой толщины, в том
числе очень малой.
 Дает возможность избежать значительных напряжений и деформаций
соединяемых деталей.
 Позволяет обеспечить герметичность конструкций.
 Уменьшает массу изделий.
 Обеспечивает достаточную прочность на сдвиг (до 55 МПа при склеивании металлов) и на равномерный отрыв.
Недостатки склеивания:
 Меньшая долговечность по сравнению со сварными или паяными и заклепочными соединениями, особенно при резком колебании температур.
 Низкая прочность на отдир, то есть односторонний неравномерный отрыв. В этих случаях хорошие результаты дает применение комбинированных
соединений — клеезаклепочных, клеесварных (точечной сваркой) и клеевинтовых.
Условиями получения качественного клеевого соединения являются:
1. Хорошее смачивание клеем соединяемых поверхностей (обеспечивается специальной подготовкой поверхностей).
2. Плотное прилегание соединяемых поверхностей (отклонение от плоскостности не более 0,15 мм).
3. Оптимальная шероховатость поверхностей (в пределах Rz = 15–5 мкм).
Как очень гладкая, так и очень грубая поверхность приводит к снижению прочности соединения.
4. Достаточно высокие адгезия (молекулярное сцепление клея с поверхностью) и когезия (сцепление между молекулами самого клея). Обычно адгезия
клеев превышает когезию, поэтому желательно получить клеевой шов минимальной толщины. На практике оптимальной толщиной слоя клея считается
0,01–0,1 мм.
Классификация клеев
Клеями называют коллоидные растворы высокомолекулярных веществ,
способные при затвердевании образовывать прочные пленки, хорошо прилипающие к различным материалам. Основой клеящих материалов являются
пленкообразующий полимер (синтетические смолы, каучук) и растворитель,
обеспечивающий требуемую вязкость.
По своей природе клеи делятся на природные и синтетические.
112
Природные клеи могут быть животными и растительными. Из крови животных получают альбуминовый клей, из молока — казеиновый. Столярный
клей готовят из мездры, костей и сухожилий. Рыбий клей делают, растворяя
рыбью чешую в смеси воды и уксуса. Растительные клеи готовятся на основе
крахмала, декстрина, натурального каучука. Природные клеи применяются в
ограниченных количествах для склейки древесины, кожи, бумаги, резины, тканей.
Синтетические клеи в большинстве своем представляют композиции на
основе синтетических полимеров.
Их подразделяют на две большие группы:
 Термореактивные (фенолоформальдегидные, фенолокаучуковый,
эпоксидный, полиэфирный, полиуретановый, резиновый на основе полихлоропрена, кремнийорганический (теплостойкость до 12000С и др.).
 Термопластичные (карбинольный, полиакриловый, поливинилацетатный, полиамидный, перхлорвинильный и др.).
По функциональному назначению клеи подразделяются на:
 конструкционные, обеспечивающие передачу динамических и статических нагрузок;
 неконструкционные для приклейки декоративных, облицовочных или
изоляционных материалов, контровки резьбовых соединений, приклейки датчиков и т.п.;
 специальные, обладающие дополнительными свойствами, например,
токопроводящие, оптические, медицинские и т.п.
Характеристика конкретных марок клеев и режимы склеивания изложены
в справочной литературе. Приведем примеры:
 Клеи БФ-2, БФ-4, БФ-6 – спиртовой раствор фенолоформальдегидной
смолы и поливинилацетата; это термореактивные клеи. Режимы склеивания:
температура 140–1600С; давление 10–20 кг/см2; выдержка до отверждения – 1
час; прочность при сдвиге 15–30 МПа, теплостойкость 200–2500С. Применяются для склеивания металлов, пластмасс, керамики, стекла и других однородных
и разнородных материалов.
 Д-6 – эпоксидный, термореактивный клей (эпоксидная смола ЭД-6 –
100 частей, полиэтиленполиамин 8–10 частей, дибутилфталат – 10 частей).
Температура склеивания 200С, время отверждения – 24 часа, предел прочности
при сдвиге 20–30 МПа, теплостойкость до 1250С. Применяется для склеивания
любых материалов и при ремонте для заделки трещин, пробоин и т.п.
 Фенольнокаучуковые клеи марок ВК-32-200 и ВК-4, обеспечивают высокую прочность склеивания, отличаются удовлетворительными диэлектрическими свойствами и водостойкостью. Их применяют для склеивания металлов,
пластических масс, керамики и других материалов.
Технологический процесс склеивания состоит из следующих операций:
1. Подготовка поверхностей:
 очистка травлением, дробеструйной обработкой, абразивным инструментом;
113
 шероховка, то есть создание на склеиваемых поверхностях оптимальной шероховатости;
 промывка в проточной воде;
 обезжиривание растворителями или моющими средствами;
 сушка.
2. Подготовка клея в специальных помещениях с соблюдением правил
техники безопасности.
3. Нанесение клея кистью, пульверизатором, шпателем или на специальных установках. Норма расхода клея на один слой 150–250 г/м2.
4. Подсушивание с целью удаления из клеевого состава растворителя (от
5 до 60 мин).
5. Соединение (сопряжение) склеиваемых поверхностей. Желательно соединять поверхности не наложением, а надвиганием, во избежание попадания
воздуха между склеиваемыми поверхностями. В таком виде поверхности сжимаются посредством пресса, струбцин, приспособлений и т.п.
6. Отверждение. В случае горячего отверждения осуществляется подогрев
поверхностей в термошкафах, печах, с применением индукционного нагрева и
т.д.
7. Зачистка соединения от подтеков клея и контроль (визуально, простукиванием, ультразвуком и др.).
Основными дефектами склеивания являются: непроклей, пониженная
прочность, пористость, утолщенный или тонкий слой клея, трещины и расслаивание клеевой прослойки.
114
6 ТЕХНОЛОГИИ НАНОМАТЕРИАЛОВ
6.1 История развития
Впервые о возможности миниатюризации всего и вся в работе с отдельными атомами заговорил американский физик Ричард Фейнман. В своей знаменитой лекции «Внизу полным-полно места: приглашение в новый мир физики»,
прочитанной в 1959 году, он достаточно аргументировано показал, что законы
квантовой механики не препятствуют созданию нужных людям структур из совсем небольшого числа атомов. В те годы, когда практически единственным
инструментом, позволяющим хоть что-то разглядеть в наномасштабе, был электронный микроскоп, идеи Фейнмана казались фантастикой [4].
В 1974 году японский физик Норио Танигучи вводит термин «нанотехнология», а через три года нобелевский лауреат Илья Пригожин константирует,
что «мы знаем, где дверь в эту комнату», на полу которой, по словам Фейнмана,
«полно различных микроигрушек».
На возможность создания материалов с размерами зерен < 100 нм, которые должны обладать многими интересными и полезными дополнительными
свойствами по сравнению с традиционными микроструктурными материалами,
указал немецкий ученый Г. Глейтер в 1981 г. Он и независимо от него отечественный ученый И. Д. Морохов ввели в научную литературу представления о
нанокристаллах. Позднее Г. Глейтер ввел в научный обиход также термины
нанокристаллические материалы, наноструктурные, нанофазные, нанокомпозитные и т.д. [4].
Проблема консолидированных наноматериалов впервые отчетливо анализировалась на 1-й Всесоюзной конференции по физикохимии ультрадисперсных систем в 1984 г., сборник трудов которой вышел только в 1987 году и за
рубежом практически неизвестен. Одна из первых работ в этом направлении,
выполненная под руководством В. Н. Лаповка и Л. И. Трусова, была посвящена
консолидации ультрадисперсных порошков никеля при высоких давлениях и
температурах. При этом сохранялась нанокристаллическая структура (L ≈ 60
нм) и многократно повышалась твердость по сравнению с обычным поликристаллическим никелем. Эта публикация (1983 г.) осталась незамеченной и также практически не цитируется. Следует отметить, что всестороннее изучение
ультрадисперсных сред, в том числе ультрадисперсных порошков, коллоидов,
аэрозолей, пленок, кластеров и других малоразмерных объектов, в нашей
стране ведется давно и научный задел весьма солиден и значим. В наибольшей
степени наши традиции в этой проблематике нашли отражение в присуждении
Ж. И. Алферову в 2000 г. Нобелевской премии за работы в области полупроводниковых гетероструктур.
В настоящее время интерес к новому классу материалов в области как
фундаментальной и прикладной науки, так и промышленности и бизнеса постоянно увеличивается. Это обусловлено следующими причинами: стремлением к миниатюризации изделий; уникальными свойствами материалов в нано115
структурном состоянии; необходимостью разработки и внедрения новых материалов с качественно и количественно новыми свойствами; развитием новых
технологических приемов и методов, базирующиеся на принципах самосборки
и самоорганизации; практическим внедрением современных приборов исследования и контроля наноматериалов (зондовая микроскопия, рентгеновские методы, нанотвердость); развитием и внедрением новых технологий (ионноплазменные технологии обработки поверхности и создания тонких слоев и пленок, LIGA-технологии – Litographie-Galvanoformung-Adformung, представляющие собой последовательность процессов литографии, гальваники и формовки,
технологий получения и формования нанопорошков и т. п.).
Аморфные и нанодисперсные состояния многих металлов кардинально
отличаются по своим характеристикам от их кристаллических форм. При этом в
одном материале порой удается совместить крайне противоречивые механические свойства: одновременно увеличить твердость и пластичность.
Особые механические свойства – лишь часть достоинств новых материалов. Одним из знаковых успехов последних лет была разработка целого ряда
прочных и легких биологически совместимых материалов. В активно развивающемся направлении по созданию бактерицидных красок, покрытий и перевязочных материалов все шире применяются разного рода нанодисперсные материалы для борьбы с вредной флорой и фауной.
Нанопорошки активно используются при изготовлении всех видов магнитных носителей информации – от полоски с данными на кредитной карте до
компьютерных жестких дисков. При этом у последних слой магнитного материала для снижения износа покрывается алмазоподобной пленкой толщиной
несколько нанометров и тончайшим нанометровым слоем специальной смазки.
Терминология по наноматериалам и нанотехнологиям в настоящее время
только устанавливается. Существует несколько подходов к тому, как определять, что такое наноматериалы.
Самый простой подход связан с геометрическими размерами структуры
таких материалов. Согласно такому подходу материалы с характерным размером микроструктуры 1...100 нм называют наноструктурными (или иначе нанофазными, нанокристаллическими, супрамолекулярными).
Выбор такого диапазона размеров не случаен, а определяется существованием ряда размерных эффектов и совпадением размеров кристаллитов с характерными размерами для различных физических явлений. Нижний предел
считается связанным с нижним пределом симметрии нанокристаллического материала. По мере снижения размера кристалла, характеризующегося строгим
набором элементов симметрии, наступает такой момент, когда будет наступать
потеря некоторых элементов симметрии. По данным для наиболее широко распространенных кристаллов с ОЦК и ГЦК решеткой такой критический размер
равен трем координационным сферам, что для случая железа составляет ~0,5
нм, а для никеля ~0,6 нм. Величина верхнего предела обусловлена тем, что заметные и интересные с технической точки зрения изменения физико116
механических свойств материалов (прочности, твердости, коэрцитивной силы и
др.) начинаются при снижении размеров зерен ≤ 100 нм.
Второй подход связан с огромной ролью многочисленных поверхностей
раздела в наноматериалах в формировании их свойств. В соответствии с ним
размер зерен (D) в наноматериалах определялся в интервале нескольких нанометров, т. е. в интервале, когда объемная доля поверхностей раздела в общем
объеме материала составляет ∆V ≈ 50 % и более. Эта доля приблизительно оценивается из соотношения ∆V≈ 3s/D, где s – ширина приграничной области. При
разумном значении s ≈ 1 нм 50 %-ая доля поверхностей раздела достигается
при D = 6 нм.
Существует также подход, в соответствии с которым для наноматериалов
наибольший размер одного из структурных элементов должен быть равен или
быть меньше размера, характерного для определенного физического явления.
Так, для прочностных свойств это будет размер бездефектного кристалла, для
магнитных свойств – размер однодоменного кристалла, для электрической проводимости – длина свободного пробега электронов. Существенными недостатками такого, подхода являются, во-первых, несоответствие размеров структурных элементов для разных свойств и материалов и, во-вторых, различность характерных размеров для разных состояний одного и того же материала (например, отдельные частицы нанопорошка и зерна в поликристалле).
Некоторые ученые считают, что если при уменьшении объема какоголибо вещества по одной, двум или трем координатам до размеров нанометрового масштаба возникает новое качество (например, резкое изменение механических или физических свойств, проявление квантовых эффектов и др.), или это
качество возникает в композиции из таких объектов, то эти образования следует отнести к наноматериалам, а технологии их получения и дальнейшую работу
с ними – к нанотехнологиям.
Нанотехнология – совокупность методов и приемов, обеспечивающих
возможность контролируемым образом создавать и модифицировать объекты,
включающие компоненты с размерами < 100 нм, имеющие принципиально новые качества и позволяющие осуществлять их интеграцию в полноценно функционирующие системы большего масштаба.
Наноматериалы – материалы, содержащие структурные элементы, геометрические размеры которых хотя бы в одном измерении не превышают 100
нм, и обладающие качественно новыми свойствами, функциональными и эксплуатационными характеристиками.
В соответствии с приведенной выше терминологией наноматериалы
можно разделить на четыре основные категории (рисунок 6.1).
117
Первая категория включает материалы в виде твердых тел, размеры которых в одном, двух или трех пространственных координатах не превышают 100
нм. К таким материалам можно отнести наноразмерные частицы (нанопорошки), нанопроволоки и нановолокна, очень тонкие пленки (толщиной < 100 нм),
нанотрубки и т. п. Такие материалы могут содержать от одного структурного
элемента или кристаллита (для частиц порошка) до нескольких их слоев (для
пленки). В связи с этим первую категорию можно классифицировать как наноматериалы с малым числом структурных элементов или наноматериалы в виде
наноизделий.
Вторая категория включает материалы в виде малоразмерных изделий с
характеризующим размером в примерном диапазоне 1 мкм...1 мм. Обычно это
проволоки, ленты, фольги. Такие материалы содержат значительное число
структурных элементов и их можно классифицировать как наноматериалы с
большим числом структурных элементов (кристаллитов) или наноматериалы в
виде микроизделий.
НАНОМАТЕРИАЛЫ
Наноизделия
Характерный
размер не более
100 нм
Нанопорошки
Композиты с компонентами из наноматериалов
С наноизделиями
С микроизделиями
Со сложным
сочетанием
компонентов
Нанопроволоки
С наночастицами
Нановолокна
С нановолокнами
С наноструктурными
волокнами и/или частицами
С ионно
модифицированной
поверхностью
С наноструктурными
покрытиями и/или слоями
Тонкие пленки
Нанотрубки
Микроизделия
Характерный размер не более
1...2 мм
Проволки
Ленты
Массивные наноматериалы
Характерный размер не более 1...2 мм
Однофазные
(микроструктурно
однородные)
Стекла
Фольги
Гели
Многофазные
(микроструктурно
неоднородные)
Сложные сплавы и
керамики
Пересыщенные
твердые растворы
Рисунок 6.1 – Схема классификаций наноматериалов [5]
Третья категория представляет собой массивные (или иначе объемные)
наноматериалы с размерами изделий из них в макродиапазоне (более несколь118
ких мм).
Вторая и третья категории наноматериалов подпадают под более узкие
определения нанокристаллических или нанофазных материалов.
К четвертой категории относятся композиционные материалы, содержащие в своем составе компоненты из наноматериалов.
6.2 Структура наноматериалов
Под нанокристаллическими (наноструктурными, нанофазными, нанокомпозитными) материалами (НМ) понимают такие материалы, у которых размер
отдельных кристаллитов или фаз, составляющих их структурную основу, не
превышает 100 нм хотя бы в одном измерении [5]. Этот предел достаточно
условен и продиктован скорее соображениями удобства. Но вместе с тем простые оценки показывают, что, начиная с этих размеров, доля приграничных областей с разупорядоченной структурой становится все заметнее (эта доля равна
примерно 3s/L, где s – ширина приграничной области, L – характерный размер,
и при разумной величине s ~ 1 нм составляет уже несколько процентов). С другой стороны, верхний предел значений L должен соизмеряться с характерным
размером для того или иного рассматриваемого физического явления (размер
петли Франка-Рида для скольжения дислокаций; величина свободного пробега
электронов для электрокинетических свойств; размер домена для магнитных
характеристик и т.д.). Вполне понятно, что предельные значения L для разных
физических свойств и различных металлов, твердых растворов и соединений
будут неодинаковыми. Отсюда и условность обозначенного выше значения 100
нм. Следует подчеркнуть, что к НМ не относятся, например, традиционные
дисперсно-упрочненные или дисперсионно-упрочненные сплавы, в структуре
которых имеются очень мелкие частицы, занимающие по объему всего лишь до
5 – 10%, а также обычно деформируемые металлы и сплавы, размер блоков или
локально разориентированных областей в которых тоже довольно мал, но размер исходных зерен (кристаллитов) остается при этом весьма значительным.
6.3 Классификация наноматериалов
Свойства наноматериалов в значительной степени определяются характером распределения, формой и химическим составом кристаллитов (наноразмерных элементов), из которых они состоят. В связи с этим целесообразно
классифицировать структуры наноматериалов по этим признакам (таблица 6.1).
119
Таблица 6.1 – Основные типы структуры наноматериалов
Характер распределения
Кристаллитное
Форма
кристаллов
состав кристаллитов
различен при
одинаковом
составе границ
состав кристаллитов и
границ одинаковый
Матричное
состав и кристаллитов и
границ различный
кристаллиты
распределены
в матрице
другого состава
Слоистая
Волокнистая
Равноосная
По форме кристаллитов наноматериалы можно разделить на слоистые
(пластинчатые), волокнистые (столбчатые) и равноосные. Толщина слоя, диаметр волокна и размер зерна при этом принимают значения ≤ 100 нм. Исходя из
особенностей химического состава кристаллитов и их границ обычно выделяют
четыре группы наноматериалов.
К первой относят такие материалы, у которых химический состав кристаллитов и границ раздела одинаковы. Их называют также однофазными.
Примерами таких материалов являются чистые металлы с нанокристаллической
равноосной структурой и слоистые поликристаллические полимеры.
Ко второй группе относят материалы, у которых состав кристаллитов
различается, но границы являются идентичными по своему химическому составу.
Третья группа включает наноматериалы, у которых как кристаллиты, так
и границы имеют различный химический состав.
Четвертую группу представляют наноматериалы, в которых наноразмерные выделения (частицы, волокна, слои) распределены в матрице, имеющей
120
другой химический состав. К этой группе относятся, в частности, дисперсноупрочненные материалы.
Свойства нанокристаллических материалов определяются размерами отдельных зерен, свойствами граничного слоя, а также коллективным взаимодействием основных составляющих структуры с поверхностными слоями частиц.
В нанокристаллических материалах доля граничного слоя быстро возрастает
при измельчении зерен от 100 до 4-5 нм. Считая, что зерна имеют сферическую
форму, и полагая толщину слоя 1 нм (это соответствует 2-3-м атомным слоям
для большинства металлов), получаются следующие соотношения между диаметром зерна и объемной долей поверхностного слоя:
Диаметр зерна (частицы), нм …………………...
100
Объемная доля поверхностного слоя, % …….
6
50
12
25
24
20
30
10
60
6
4
100 150
Таким образом, в нанокристаллических материалах, начиная с диаметра
зерен 6 нм, объем граничного слоя становится больше объема кристаллов. С
уменьшением размера зерна от 1 мкм до 2 нм объемная доля межзеренного вещества увеличивается до 88%. Объемная доля тройных стыков значительно
возрастает при размерах зерен менее 10 нм.
Природа границ раздела вообще и границ кристаллитов в частности, применительно к НМ, продолжает оставаться предметом оживленных дискуссий.
Таким образом, технологическая предыстория оказывает решающее влияние на
структуру поверхностей раздела в НМ и нет единой концепций структуры границ нанозерен, поскольку накопленная экспериментальная информация представляется далеко не полной.
6.4 Методы получения наноматериалов
Можно выделить четыре основных технологических метода получения
НМ: порошковая технология, интенсивная пластическая деформация, контролируемая кристаллизация из аморфного состояния и пленочная технология
(таблица 6.2). Разумеется, эта классификация довольно условна, границы между
отдельными технологическими приемами часто весьма размыты. Стоит также
упомянуть и такие возможности создания н-структуры, как облучение большими дозами нейтронов и ионов, интенсивную деформацию при трении и др.
Вполне естественно, что каждый метод обладает своими преимуществами и недостатками.
121
Таблица 6.2 – Основные методы получения НМ
Группа
Основные варианты
Объект
Обычное прессование и спекание.
Элементы,
Электрозарядное спекание.
Порошковая
сплавы,
Горячее прессование, ковка и экструзия.
технология
соединения
Высокие статические и динамические
давления при высоких температурах
Равноканальное угловое прессование.
Интенсивная
Деформация кручением при высоких дав- Металлы и
пластическая
лениях.
сплавы
деформация
Фазовый наклеп
Кристаллизация из
Аморфные
Обычные и высокие давления
аморфного состояния
вещества
Следует подчеркнуть, что в пределах каждого из основных методов получения НМ гамма – структурных элементов может быть весьма разнообразной.
Метод интенсивной пластической деформации, заключающийся в обжатии с большими степенями деформации при относительно низких температурах
(ниже 0,3–0,4 Тпл, где Тпл – температура плавления материала) в условиях высоких давлений, позволяет получать объемные беспористые нанокристаллические
металлы и сплавы.
Обычные методы деформации – прокатка, волочение, прессование и др. –
приводят к уменьшению поперечного сечения заготовки и не позволяют достигать больших степеней измельчения зерна. Нетрадиционные методы – кручение
под гидростатическим давлением, равноканальное угловое прессование, знакопеременный изгиб – позволяют деформировать заготовку без изменения сечения и формы и достигать необходимых высоких степеней деформации и измельчения зерна. Наноструктура приводит к изменению физических и механических свойств (значительное повышение прочности при сохранении пластичности, повышение износостойкости, проявление высокоскоростной и низкотемпературной сверхпластичности) нанокристаллических материалов.
6.5 Свойства наноматериалов
Формирование нанокристаллических структур позволяет получать конструкционные материалы с уникальными свойствами: высокой прочностью,
твердостью, износостойкостью при достаточно высокой пластичности.
Коэффициент объемного термического расширения увеличивается с
уменьшением размера зерна. Коэффициент граничной диффузии в наноматериалах значительно выше, чем в крупнозернистых, что позволяет их легировать
нерастворимыми или слаборастворимыми при обычных условиях элементами
за счет более развитой зеренной структуры.
122
Магнитные свойства наноматериалов
Изучение магнитных характеристик стимулируется значительными прикладными успехами в создании новых высокоэффективных магнитомягких и
магнитотвердых материалов в н – состоянии.
Изучение магнитной восприимчивости пара- и диамагнетиков (Pd,Cu)
выполненное на образцах, полученных методами интенсивной пластической
деформации показало повышение магнитной восприимчивости, связанное с избыточной концентрацией вакансий и влиянием магнитного вклада от примесей
железа.
В последние годы был открыт новый класс магнитомягких материалов –
н-сплавы со смешанной аморфно-нанокристаллической структурой и более высоким уровнем статических и динамических магнитных характеристик по сравнению с аналогичными по назначению кристаллическими и аморфными сплавами. Высокий уровень магнитной проницаемости достигается в двухфазном
состоянии.
Диффузионные свойства
В нанокристаллических материалах значительную роль играют границы
зёрен, которые к тому же содержат высокую плотность внесённых зернограничных дефектов и находятся в крайне неравновесном состоянии. Коэффициент зернограничной диффузии существенно превышает коэффициент объёмной
диффузии в наноматериалах [7].
Повышенная диффузия влияет на протекание процессов возврата и рекристаллизации при нагреве метастабильных наноструктурных материалов.
Кроме того, высокие значения коэффициента зернограничной диффузии должны влиять на ход деформационных процессов в объёмных наноструктурных
материалах.
Упругие свойства
Упругие свойства твёрдых тел определяются характером межатомных
взаимодействий и поэтому относятся к числу их фундаментальных характеристик. С другой стороны, упругие характеристики определяют механические
свойства материалов. В этой связи исследование упругих свойств наноструктурных ИПД материалов представляет большой научный и практический интерес.
Установлено, что изменение эффективных упругих модулей наноструктурной Cu в результате отжига при температурах около 125 и 1750С может быть
связано со следующими возможными механизмами. Во-первых, влияние высоких внутренних напряжений. Во-вторых, влияние решёточных дислокаций, которые, как известно, могут уменьшать упругие модули. В-третьих – это вклад в
уменьшение модулей зернограничных атомов.
Интересно, что при бόльших размерах зёрен, соответствующих отжигу при более высоких температурах, значительных изменений упругих модулей не происходит.
123
Деформационное поведение наноструктурных материалов
Как свидетельствуют теоретические оценки, с точки зрения механического поведения формирование наноструктур в различных металлах и сплавах может привести к высокопрочному состоянию в соответствии с соотношением
Холла-Петча, а также к появлению низкотемпературной и (или) высокоскоростной сверхпластичности. Реализация этих возможностей имеет непосредственное значение для разработки новых высокопрочных и износостойких материалов, перспективных сверхпластичных сплавов, металлов с высокой усталостной прочностью. Все это вызвало большой интерес среди исследователей
прочности и пластичности материалов к получению больших объемных образцов с наноструктурой для последующих механических испытаний.
Механическое поведение при комнатной температуре
Получение наноматериалов с высокой прочностью и пластичностью связано с формированием в них особых типов микроструктур.
Необычное механическое поведение, обнаружено в некоторых металлах,
подвергнутых ИПД, что свидетельствует о принципиальных изменениях механизма деформации после того, как в них произошло формирование УМЗ структуры в результате обработки. Наличие ультрамелких зерен может способствовать активизации других деформационных механизмов, например, таких, как
зернограничное проскальзывание и вращение зерен, что повышает пластичность.
6.6 Высокая деформационная способность наноматериалов
Сверхпластичность материалов – это явление чрезвычайно высокой пластичности, составляющей сотни и тысячи процентов удлинения при растяжении
(наиболее «жесткой» схеме механических испытаний), наблюдающееся в поликристаллических материалах с размером зерен (кристаллитов) обычно менее 10
мкм при их деформации в определенном температурно-скоростном интервале,
как правило, Т=0,5÷0,6 Тпл, и скоростях деформации 10-4÷10-5 с-1.
Уменьшение размера зерна должно привести к резкому повышению
сверхпластических свойств и достижению сверхпластичности при относительно низких температурах и (или) высоких скоростях деформаций.
Исследования сверхпластичности начались в двух направлениях: первое –
это получение объемных образцов с однородной структурой и размером зерна
менее 1 мкм (уровень субмикрокристаллов) с помощью РКУ прессования или
многократной ковки; второе – это получение нанокристаллических структур в
образцах с малыми геометрическими размерами (менее 15-20 мм), используя
метод интенсивной пластической деформации кручением.
Исследование сверхпластического поведения проводилось для сплавов.
Образцы до и после испытаний при различных температурах показаны на рисунке 6.2.
124
Рисунок 6.2 – Вид образцов нанокристаллического сплава 1420
после растяжения при различных температурах [5]
Для образцов характерно равномерное удлинение без образования шейки,
что является характерной чертой сверхпластического поведения. Следует также
отметить, что данный сплав демонстрирует сверхпластичность при очень высоких скоростях деформации до 510-1 с-1 и относительно низкой температуре
3000С.
Нанокристаллические сплавы проявляют повышенное сверхпластическое
поведение по сравнению с микрокристаллическими сплавами, хотя это поведение сопровождается значительным деформационным упрочнением, которое,
по-видимому, связано с изменением деформационных механизмов за счет
трудности дислокационной аккомодации зернограничного скольжения в малых
зернах.
Обнаружение сверхпластичности в ультрамелкозернистых сплавах при
относительно низких температурах и очень высоких скоростях деформации
указывает на возможность значительного и эффективного повышения уровня
использования сверхпластической формовки различных промышленных сплавов с измельченной структурой.
6.7 Области применения наноматериалов
Наука о наноструктурных материалах и связанные с ней нанотехнологии
предлагают принципиально новые методы формирования материалов и изделий
из них. Наряду с компьютерно-информационными технологиями и биотехнологиями, нанотехнологии являются фундаментом научно-технической революции
в XXI веке.
Развитие нанотехнологий рассматривается в качестве общенациональной
задачи в некоторых странах. Лидерами в этих исследованиях выступают Япония и Израиль. До начала 1980-х годов США практически не имели соперников
в этой области науки, однако сейчас ситуация меняется. Нанотехнологии становятся полем международной конкуренции.
125
Широкий интерес к нанотехнологиям объясняется по крайней мере тремя
обстоятельствами. Во-первых, он связан с надеждами получить с их помощью
принципиально новые устройства и материалы с характеристиками, значительно превосходящими современный уровень. Во-вторых, нанотехнологии и нанонаука оказались широкими междисциплинарными областями, в которых интенсивно работают специалисты по физике, химии, биологии, медицине, технологии, наукам о земле, компьютерной технике и т.д. В-третьих, нанопроблематика
выявила много пробелов как в фундаментальных, так и в прикладных знаниях,
что также способствовало концентрации внимания научно-инженерного сообщества на этих проблемах.
Перечисленные факторы привели буквально к информационному взрыву.
Уже сейчас в мире издается свыше 10 научных журналов, посвященных исключительно нанотехнологиям и малоразмерным объектам. В 2000 году издательство Academic Press выпустило пятитомный справочник по наноструктурным
материалам и нанотехнологии. 62 главы этого справочника написали 142 специалиста из 16 стран; количество ссылок составило 10300. Поток информации
по нанотехнологии интенсивно пополняется не только за счет журнальных публикаций, но и за счет патентов и статей сборников трудов конференций, симпозиумов, семинаров и т.д.
расходы, относит. ед.
800
1
600
2
1 - Япония
2 - США
400
3
3 - Австралия, Канада,
Китай, страны СНГ, Корея,
Сингапур, Тайвань и др.
200
4
4 - Страны Евросоюза и
Швейцарии
0
2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011
год
Рисунок 6.3 – Государственные расходы на развитие нанотехнологий
в различных странах
Дополнительные капиталовложения в наноструктурные исследования для
медико-биологического и химико-фармацевтического применения сравнимы с
дополнительными вложениями средств на аналогичные исследования в области
электроники. В развитых странах осознание ключевой роли, которую в недалеком будущем будут играть результаты работ по нанотехнологиям, привело к
разработке широкомасштабных программ по их развитию на основе государственной поддержки. В 2000 г. в США принята приоритетная долгосрочная
126
комплексная программа, названная Национальной нанотехнологической инициативой и рассматриваемая как эффективный инструмент, способный обеспечить лидерство США в первой половине текущего столетия (рис. 6.2).
Особенностью современного этапа зарубежной науки о наносостоянии
являются высокий технологический уровень исследований, тщательная характеристика полученных веществ по составу и структуре, защита поверхности
наночастиц от примесей. За рубежом основное направление наноструктурных
исследований почти полностью сместилось от изучения и применения нанокристаллических веществ и материалов в область нанотехнологии, т.е. создания
изделий и устройств с наноразмерными элементами. Основные области применения наноразмерных элементов – это электроника, медицина, химическая
фармацевтика и биология и др. В последних трех областях проводимые сейчас
исследования еще недавно выглядели фантастикой – это создание микронасосов и микросредств для доставки лекарств непосредственно к больным клеткам
того или иного органа и других искусственных биологических наноструктур
разного функционального назначения. Благодаря развитию сканирующей микроскопии и аналитических методов оптического сканирования в последние годы ученым удалось наблюдать химические процессы и микроскопические
структуры в биологических системах с недостижимым ранее разрешением. Новейшие аналитические методы дают возможность детально изучить микроскопическиое строение живых клеток и химических процессов на молекулярном
уровне. Особые свойства наноматериалов могут быть использованы для выращивания искусственных органов и тканей. За рубежом разработана методика
восстановления хрящевой ткани, которая имела механические и биохимические
свойства, близкие к нативному хрящу. В России научно-практический задел по
направлению сделан в области использования наноматериалов для восстановления механических свойств зубной эмали. Ведутся разработки и в области
технологии обработки поверхностей методом нанонапыления с целью придания
им антибактериальных свойств. Ожидается, что наноэнергетика позволит значительно повысить эффективность систем преобразования и аккумулирования
солнечной энергии, а разработка более легких и прочных конструкционных материалов позволит решить многие проблемы транспорта. Использование низкоэнергетических химических реакций даст возможность легко разлагать ядовитые и вредные вещества, а разработка сверхмалых датчиков и устройств позволит повысить эффективность производственных процессов.
Ознакомление с вопросами наноматериалов и нанотехнологий имеет особую важность для подготовки специалистов, связанных с науками о материалах.
Возможности применения наноструктур в машиностроения
Классификация материалов по свойствам включает направления:
1) высокожаропрочные материалы на основе керамических композитов
для деталей двигателя (до 1200–16000С);
127
2) сверхпрочные материалы, в том числе – композиционные с титановой
и железной матрицами – для высоконагруженных деталей;
3) сверхлегкие материалы на основе алюминия, титана, магния;
4) материалы с повышенной коррозионной стойкостью – для конструкций
планера;
5) термостойкие полимеры и композиты, выдерживающие температуры в
200 – 400 0С.
Развитие методов синтеза и сборки наноразмерных структурных элементов в сочетании с методами точного регулирования их состава и размеров позволяет получать новые типы консолидированных наноструктур и нанокомпозитов, обладающих уникальными характеристиками. Такие методы и материалы
должны привести к революционным преобразованиям во многих промышленных технологиях. Ниже подробно описаны пять примеров успешного проведения исследований консолидированных наноструктур разного типа и разработки
на их основе технологии производства. Исследования проводились по следующим темам:
1) создание устройств для информационной техники на основе комбинации наноструктурных слоев;
2) получение наноразмерных металлокерамических композитов (керметов) для нанесения сверхпрочных и износостойких покрытий на металлообрабатывающие инструменты;
3) новые методы обработки для получения разнообразных керамических
изделий;
4) изготовление огнестойких пластмасс с наполнителем в виде диспергированных наночастиц для транспортных средств.
Наноструктурные твердые материалы
В настоящее время все большее внимание промышленников привлекают
наноструктурные твердые материалы. За последнее десятилетие разработан ряд
нанокомпозитов на основе карбидов с металлами-связками (например, WC/Co и
TiC/Fe), значительно превосходящих по прочности, ударной вязкости, износостойкости и т. д. аналогичные материалы с обычной, зернистой структурой.
Превосходные характеристики наноструктурных материалов объясняются тем,
что между частицами разных фаз (например, WC и Co) формируются трехмерные контакты. В результате этого образуется структура, которую топологи
называют «непрерывной в двух направлениях». Обычно материалы типа
WC/Co получают механическим перемешиванием соответствующих порошков
с последующим холодным прессованием и спеканием. Наиболее сложным этапом этой технологии является механическое перемешивание ультрадисперсных
порошков WC и Cо. Степень однородности механического перемешивания не
позволяет получать в конечном спеченном продукте зерна размером меньше
300 нм. Однако, разработанные в последнее время новые химические методы
обеспечивают предварительное наноразмерное перемешивание порошков.
128
В качестве примера новой технологии можно привести уже внедренный в
промышленное производство процесс, при котором однородный порошокполуфабрикат изготовляется методом сушки при распылении смеси растворов
солей вольфрама и кобальта, а затем подвергается термохимической переработке в псевдосжиженном слое (пиролиз, восстановление и науглероживание) для
превращения в конечный продукт – нанофазный порошок WC с кобальтовой
связкой. Обычно размеры частиц WC составляют от 30 до 40 нм. Жидкофазное
спекание таких частиц с введением небольшого количества ингибитора роста
зерен (например, VC) позволяет избежать укрупнения зерен и получить нанокомпозитный продукт. Некоторые фирмы уже используют этот порошок для
изготовления высококачественных металлообрабатывающих инструментов,
микросверл для обработки печатных плат (в этой отрасли быстрый износ сверл
всегда представлял собой крупную технологическую проблему).
Кроме того, нанопорошки из керамики и керметов, уже выпускаемые в
промышленном масштабе, могут использоваться в качестве исходного материала для получения наноструктурных покрытий на различных деталях методом
термического напыления. В настоящее время изучается возможность использования этих методов в военном судостроении. Проведенные исследования продемонстрировали высокую износостойкость и коррозионную стойкость таких
покрытий в различных режимах эксплуатации.
Керамические наночастицы
За последние годы были разработаны новые, экономически выгодные
способы консолидации нанопорошков. В частности, были созданы технологии,
позволяющие изготавливать из керамических порошков детали и изделия без
дополнительной механической обработки, что облегчает их крупномасштабное
производство. Сейчас объем производимых нанофазных керамических порошков, обладающих особыми механическими характеристиками, измеряется тоннами. Используя одностадийные методы горячей ковки в штампах, можно изготавливать готовые изделия с формой и размерами, определяемыми параметрами штампа. В лабораторных условиях получены образцы изделий из нанофазной керамики на основе консолидированных наночастиц оксидов алюминия и
титана. Исследование механических свойств показывает, что такая керамика
вследствие микрозернистости структуры обладает значительной пластичностью
при сжатии.
Такое поведение материала может быть объяснено с помощью существующих моделей скольжения по границам зерен. Оно связано с тем, что мелкие
кристаллические зерна, образуемые наночастицами до процесса консолидации,
под нагрузкой могут сдвигаться относительно друг друга без разрушения связей через межзеренные границы, поскольку диффузионный (атомный) перенос
позволяет быстро «восстанавливать» возникающие на границе микроповреждения. Именно такая диффузионная аккомодация в приграничных областях позволяет изготавливать горячей ковкой в штампах из нано-фазных керамических
и композиционных материалов изделия готовой формы. Хотя коммерциализа129
ция методов «точного формования» только начинается, их практическая ценность представляется очевидной.
Повышение огнестойкости пластмасс
Пластмассы сейчас используются в разнообразных отраслях промышленности – от самолетостроения до производства бытовых товаров. Один из основных недостатков пластмасс – горючесть, постоянно создающая серьезные
проблемы при их применении. Проблемы не сводятся только к пожарной безопасности, поскольку продукты сгорания полимеров часто представляют собой
ядовитые и вредные вещества. Огнестойкость пластмасс может быть значительно повышена введением в них диспергированных неорганических наполнителей из наноразмерных порошков. Например, тепловыделение при образовании термопластических и термоотверждаемых полимерных материалов может быть снижено на 40–60% путем введения наноразмерного наполнителя из
силикатных глин (наполнитель вводится в виде слоев или дисперсии).
Наноразмерная структура слоя наполнителя улучшает его характеристики, поскольку она не только замедляет горение, но и препятствует выделению
летучих соединений, образующихся при разложении полимера. Снижение горючести может быть доведено до самозатухания пламени. Однако, не менее
важным является то обстоятельство, что, в отличие от применения других огнестойких добавок, механическая прочность, физические характеристики и обрабатываемость материалов с нанодобавками почти не ухудшаются, а вредные
продукты горения (монооксид углерода, сажа, токсичные вещества) выделяются в небольших количествах.
Изготовление наноструктурных покрытий
Термическое напыление наноструктурных покрытий представляет собой
перспективный подход, позволяющий использовать необычные механические и
физические свойства наноструктурных материалов (прочность, ударную вязкость и коррозионную стойкость). Число атомов на границе наноразмерного
кристаллического зерна сравнимо с числом атомов внутри самого зерна. Из-за
увеличения удельной площади границы количество примесей на единицу площади границы уменьшается по сравнению с крупнозернистым материалом того
же состава при той же объемной концентрации примесей. Более чистая поверхность зерен обеспечивает более однородную коррозионную морфологию и более высокую коррозионную стойкость вдоль границ по сравнению с крупнозернистым кристаллическим материалом.
У наноструктурных покрытий с размером зерен менее 100 нм происходит
резкое улучшение физических характеристик. Наноразмерные кристаллические
зерна не только обладают высокой термической стабильностью, но и эффективно тормозят движение дислокаций, что придает покрытиям сверхвысокую
прочность и, в некоторых случаях, сверхвысокую ударную вязкость.
Еще одно важное преимущество покрытий с наноразмерной зернистой
структурой связано с уменьшением остаточных напряжений, что впервые поз130
волило создать значительно более толстые покрытия (в отдельных случаях их
толщина в четыре раза больше, чем у покрытий из обычных материалов).
Потенциальные применения рассмотренных методов включают широкий
спектр технологий – от термозащитных покрытий лопаток газовых турбин до
износостойких деталей вращения. Прибыль от их внедрения может составить
несколько миллиардов долларов в год. Развитие данной технологии коснется
таких крупных и важных отраслей, как аэрокосмическая промышленность,
производство реактивных двигателей и автомобильная промышленность [64].
Нанопроект по своей значимости и масштабам сравним с атомным или
космическим, которые дали развитие сотням новейших высоких технологий.
Но при этом нанопроект значительно превосходит предыдущие по силе и глубине воздействия на экономику и общество.
Применение наноструктурных материалов в медицине и технике
Титан и титановые сплавы являются одними из наиболее распространенных конструкционных материалов, используемых в аэрокосмической промышленности, машиностроении, химической индустрии и медицине, поэтому повышение механических свойств титановых материалов является актуальной задачей современного металловедения. Например, медицинское сообщество в области травматологии и стоматологии проявляет большой интерес к этим материалам для имплантатов из-за их высоких физических, химических и механических свойств. Это связано с тем, что, во-первых, титан и его сплавы имеют высокую коррозионную стойкость во многих средах. Во-вторых, титановые сплавы обладают исключительной биосовместимостью с человеческими тканями и
не провоцируют аллергических реакций, воспалений, как, например, нержавеющие стали или кобальтохромовые сплавы. В-третьих, титан и титановые сплавы имеют высокую прочность и низкий модуль упругости, которые наиболее
предпочтительны для применения в ортопедии и травматологии. Однако разработки современных медицинских имплантатов предъявляют требования не
только к дальнейшему увеличению прочности, но и повышению сопротивляемости материала имплантата высоким усталостным нагрузкам.
Длинномерные наноструктурные титановые прутки, полученные комбинированными методами обработки с использованием ИПД, являются прежде
всего полуфабрикатами для производства медицинских имплантатов. При этом
эффективность разработки наноструктурных материалов для медицинского
применения определяется не только механическими и усталостными свойствами самого материала, но и конструкцией имплантата, которая должна обеспечить максимальную прочность изделия при эксплуатации. Проведенные исследования по совершенствованию конструкции имплантатов из наноструктурных
титановых полуфабрикатов позволили, например, в изделиях – «винтах» – из
наноструктурного титана Grade 2 – достичь «конструктивного» предела выносливости ( = 591 МПа), превышающего предел выносливости крупнозернистого титанового сплава. Таким образом, за счет комплексного повышения проч131
ностных характеристик удалось добиться снижения массы и размеров имплантатов.
Наноструктурные материалы с «памятью формы»
В группе функциональных материалов с эффектами памяти формы, обусловленными термоупругими мартенситными превращениями, сплавы на основе никелида титана обладают самыми высокими прочностными и пластическими свойствами.
При приложении нагрузки в материале растут число и объём кристаллов с
мартенситной деформацией, совпадающей по направлению с приложенным
напряжением, пока все кристаллы не переориентируются, а материал в целом
продеформируется в направлении внешней силы. После разгрузки накопленная
деформация сохраняется. Возврат этой деформации происходит при нагреве в
интервале температур обратного мартенситного превращения. В результате образец восстанавливает свою первоначальную форму.
Повышение прочности РКУ прессования TiNi с увеличением степени обжатия при холодной прокатке объясняется дальнейшим измельчением структуры и формированием нанокристаллического состояния с размером зерен менее
100 нм. В сплавах TiNi с размером нанозерна меньше некоторого критического
размера мартенситные превращения не происходят. Поэтому отжиг при температуре 4000С не только восстанавливает аустенитное состояние при комнатной
температуре, но и приводит к росту зерна несколько выше этого критического
размера, соответственно в образцах становятся возможными мартенситные
превращения, и на кривых появляется площадка псевдоупругости. Отжиг при
5000С приводит к более заметному росту зерна, что приводит к повышению
пластичности с одновременным снижением прочности и m.
Проведенный анализ позволяет полагать, что УМЗ сплавы на основе никелида титана представляют несомненный интерес для практического применения, в частности, в медицине. Полученные РКУ прессованием УМЗ сплавы
TiNi обладают благоприятными механическими характеристиками эффектов
памяти формы: критическим напряжением мартенситного сдвига m и обратимой деформацией έr (ответственными за эффекты сверхупругости и памяти
формы), реактивным напряжением r (ответственным за силовые возможности
при реализации эффекта памяти формы), деформационными пределами текучести, прочности и пластичности в мартенситном и аустенитном состояниях.
Наноструктурные тугоплавкие металлы
Успешное измельчение микроструктуры методом РКУ прессования было
продемонстрировано в таких труднодеформируемых и малопластичных материалах, какими являются вольфрам и его сплавы. В результате РКУ прессования при комнатной температуре прочность Tа увеличилась в три раза.
Исследования структуры показали также, что с увеличением количества
проходов РКУ прессования при 11500С однородность и равномерность измельчения структуры W повышаются (рисунок 6.4) [4].
132
Рисунок 6.4 – Оптические снимки W после РКУ прессования по режимам:
а – 8 циклов при 1150С; б – 12 циклов при 1150С (поперечное сечение)
Видно, что с увеличением количества проходов с 8 до 12 доля светлых
участков матрицы уменьшается, что свидетельствует об увеличении однородности измельчения зёрен.
Наноматериалы могут быть также применены для:
1. Изготовления высокопрочных резьбовых соединений;
2. Получение легких изделий сложной формы высокоскоростным сверхпластическим формообразованием;
3. Получение огнеупорных керамик;
4. Производство наноалмазов;
5. Получение многофункциональных присадок к моторным, трансмиссионным и индустриальным маслам [8];
6. Производства технологических смазок при обработке металлов давлением;
7. Получения смазочно-охлаждающих жидкостей, использующихся в
процессах резания металлов;
8. Получение высокоэффективных доводочно-притирочных паст и суспензий;
9. Создание порошковых нанокомпозиций для сухих смазочных материалов, тведосмазочных покрытий и карандашей твердой смазки;
10.Получения активаторов в процессах спекания порошков;
11.Получение гидродинамических пластификаторов при создании высокоплотных изделий;
12.Получение высокоэффективных материалов для магнитной записи;
13.Очистки промышленных отходящих газов до 94-99%;
14.Переработки промышленных отходов;
15.Создание средств радиационной защиты медицинского и промышленного значения;
16.Создание средств прямого преобразования энергии;
17.Производство материалов для водородной энергетики;
18.Использования в биологии, сельском хозяйстве, фармацевтической
промышленности, служб чрезвычайных ситуаций;
133
19.Получение фильтров и мембранных материалов с высокой адсорбционной сбособностью [5].
При получении наноматериалов и использования их в различных технологических процессах необходимо строго выполнять правила их безопасного
хранения и транспортировки [5].
134
7 ТЕХНОЛОГИИ ОБРАБОТКИ МЕТАЛЛОВ РЕЗАНИЕМ
7.1 Основы процесса резания металлов
Обработка резанием является и на многие годы останется основным способом изготовления точных деталей стрелкового оружия, артиллерийских систем, выстрелов к ним, артиллерийских приборов, поскольку позволяет получить готовые детали с исключительно высокой точностью и низкой шероховатостью поверхности, недостижимыми никакими другими методами обработки.
В настоящее время доля обработки резанием составляет около 40% и,
следовательно, оказывает решающее влияние на темпы развития машиностроения.
Сущность процесса стружкообразования
Обработкой резанием называется обработка, заключающаяся в образовании новых поверхностей отделением поверхностного слоя материала. Слой материала, срезаемый с заготовки режущим инструментом, называется стружкой.
Основоположниками механики процесса резания являются русские ученые И.А.Тиме, К.А.Зворыкин, А.А.Брикс, Я.Г.Усачев и др.
Впервые обширные и тщательно поставленные опыты по изучению процесса резания металлов провел профессор С.-Петербургского горного института Иван Августович Тиме. Он описал их в книгах “Сопротивление металлов и
дерева резанию” (1870 г.) и “Мемуар о строгании металла” (1877 г.).
В настоящее время трудами отечественных ученых (Челюсткин А.Н.,
Кривоухов В.А., Панкин А.В., Грановский Г.И., Розенберг А.М. и др.) создана
передовая школа резания металлов, получившая мировое признание.
Процесс резания (стружкообразования) — сложный процесс, сопровождающийся различными физико-химическими явлениями, такими как:
 упругое и пластическое деформирование срезаемого металла и обработанной поверхности (сжатие, растяжение, сдвиг);
 большое тепловыделение. В зоне контакта "режущий инструмент–
заготовка" температура достигает 800–10000С при обработке лезвийным инструментом и до 15000С — при обработке абразивным инструментом. Имеет
место сложная схема теплопередачи;
 сильное трение при очень больших давлениях и высокой температуре;
 наростообразование на передней поверхности инструмента (при определенных условиях);
 износ режущего инструмента в процессе обработки, что существенно
усложняет картину деформирования и разрушения материала (истирание, адгезия, диффузия);
 вибрации (колебания) системы СПИД (станок–приспособление–
инструмент–деталь).
135
Еще профессором Тиме И.А. было установлено, что процесс стружкообразования представляет собой упругопластическое деформирование (сжатие и
сдвиг) срезаемого слоя. При этом степень деформации достигает 100% и более.
Возникает сложнонапряженное состояние, материал разрушается и образуется
стружка. Разрушение происходит за счет среза, скалывания и (реже) отрыва.
Схему образования элементной стружки при свободном резании можно
проследить на рисунке 7.1.
Рисунок 7.1 – Схема образования стружки
а) По мере внедрения резца в металл (под действием силы резания Рz )
растут напряжения в срезаемом слое, и когда они достигнут предела прочности
материала, произойдет сдвиг (скалывание) по плоскости сдвига АВ (это плоскость максимальных касательных напряжений).
б) После скалывания первого элемента стружки резец деформирует следующий близлежащий слой металла, в результате чего образуется второй элемент, отделяющийся под тем же углом β1.
в) В результате образуется стружка, состоящая из отдельных элементов.
Угол β1 называется углом сдвига (скалывания). Установлено, что в зависимости от угла резания угол сдвига β1=35–450 (чем больше угол резания, тем
меньше β1).
Последние работы ученых показали, что угол сдвига по всей ширине среза не является постоянным. Поэтому плоскость сдвига правильнее называть поверхностью сдвига.
В зависимости от условий обработки (свойств материала, геометрии резца, режимов резания) стружка может быть различных видов: элементная, ступенчатая и сливная (рисунок 7.2).
136
Элементная стружка состоит из отдельных элементов, слабо связанных
или вовсе не связанных между собой. Образуется при обработке твердых и маловязких металлов с малой скоростью резания. Процесс сопровождается колебаниями сил резания, что приводит к вибрации и ухудшает качество поверхности.
Ступенчатая стружка состоит из отдельных элементов, прочно связанных между собой. Прирезцовая сторона такой стружки гладкая, а противоположная имеет зазубрины. Образуется при резании сталей со средними скоростями резания. Процесс протекает более спокойно, качество обработки выше,
чем в первом случае.
Сливная стружка сходит с резца в виде ленты, без зазубрин. Получается
при резании пластичных, вязких материалов (многие марки сталей) с высокими
скоростями резания. При этом на систему СПИД действует равномерная
нагрузка, получается хорошее качество поверхности и затрачивается наименьшее количество энергии на процессе резания.
Отметим, что, создавая различные условия резания, можно при обработке
одного и того же материала получить различные виды стружек, то есть влиять
на ход процесса. Получение сливной стружки вместо элементной и ступенчатой
во многом подтверждает правильность назначенных геометрических элементов
резца и режимов резания.
Рисунок 7.2 – Типы стружек:
а) – элементная, б) – ступенчатая, в) – сливная
Классификация способов обработки резанием
Процесс резания возможен при совмещении двух основных движений:
главного движения резания и движения подачи. По величине скорость резания
обычно во много раз больше скорости подачи. Обработка резанием осуществляется на металлорежущих станках (при слесарной обработке и вручную) с
применением режущих инструментов и приспособлений.
Различают следующие основные виды обработки резанием (рисунок 7.3).
137
Точение. Главное движение — вращение заготовки, движение подачи —
поступательное перемещение резца. Оба движения осуществляются одновременно и непрерывно. Применяется для обработки тел вращения.
Строгание. Главное движение — прямолинейное движение резца, подача
— перемещение заготовки в направлении, перпендикулярном перемещению
резца. Подача осуществляется периодически во время холостого хода инструмента. С помощью строгания получают плоские и несложные фасонные поверхности с прямолинейными образующими.
Рисунок 7.3 – Основные способы обработки резанием
Сверление (зенкерование, развертывание). Инструмент, как правило, получает и главное (вращательное), и движение подачи (поступательное вдоль
оси), а заготовка остается неподвижной. Применяется для обработки отверстий.
Фрезерование производится при вращении многозубого инструмента
(фрезы) и поступательном перемещении (подаче) заготовки. Применяется для
получения плоскостей, пазов, уступов, фасонных поверхностей, резьб, зубьев,
шлицев.
Протягивание осуществляется при прямолинейном (реже вращательном)
движении многозубого режущего инструмента относительно заготовки. Подача
обеспечивается конструкцией протяжки, так как каждый последующий зуб выше предыдущего на толщину срезаемого слоя. Применяется для изготовления
отверстий различной формы (круглых, шестигранных, квадратных, шлицевых,
с винтовыми канавками, нарезами, шпоночными пазами), а также для обработки наружных поверхностей (реже).
138
Шлифование — процесс обработки металлов резанием с помощью абразивного инструмента (шлифовальных кругов, брусков, лент, паст, порошков).
Применяется для получения деталей высокой точности и качества поверхности,
а также деталей из твердых, высокопрочных материалов (например, закаленных
сталей), для заточки разнообразного режущего инструмента. Схемы шлифования чрезвычайно разнообразны. Так, при круглом шлифовании, (см. рисунок
7.3) шлифовальный круг вращается быстро (со скоростью резания) и получает
поступательные движения подачи (продольное — вдоль оси заготовки и поперечное — на врезание). Заготовка вращается медленно (круговая подача).
При любом способе резания различают черновую (предварительную), получистовую (промежуточную), чистовую (окончательную), финишную (отделочную) обработку.
При предварительных операциях не предъявляют высоких требований по
точности и качеству обрабатываемых поверхностей, при этом оставляют припуск для дальнейшей обработки. Обработку ведут на максимально допустимых
режимах резания, исходя из условия наивысшей производительности. Например, заготовку сначала обтачивают или фрезеруют, а затем оставленный небольшой припуск (десятые или сотые доли миллиметра) удаляют шлифованием, получая высокую точность и чистоту поверхности.
При особо высоких требованиях к точности и качеству поверхности после чистовой обработки применяют отделочные (финишные) операции. К ним
относятся: алмазное точение, тонкое шлифование, полирование, хонингование,
притирка, доводка, суперфиниширование.
Параметры режима резания
Основными элементами (параметрами) резания являются: глубина резания, подача, скорость резания. Совокупность этих трех параметров называют
режимом резания. Для изучения физической стороны процесса дополнительно
вводят еще два параметра: ширину и толщину срезаемого слоя.
Рассмотрим этот вопрос на примере токарной обработки, помня, что в
основном, с учетом тех или иных особенностей, это будет справедливо и для
других операций механической обработки.
Принципиальная кинематическая схема продольного точения показана на
рисунке 7.4, а. Главное движение — вращательное — совершает заготовка, а
движение подачи — поступательное — резец.
Введем следующие обозначения поверхностей: 1 — обрабатываемая поверхность (поверхность заготовки до обработки), 2 — поверхность резания (переменная поверхность конической формы), 3 — обработанная поверхность (поверхность после обработки).
Глубина резания t — величина слоя, срезаемого за один ход резца, измеренная по нормали к обработанной поверхности.
Глубина резания всегда перпендикулярна направлению движения подачи
и определяется при точении с продольной подачей как t=(D - d)/2, мм, при про139
резке канавок и отрезке она равна ширине прорези, при сверлении — половине
диаметра сверла и т.п.
Подача (скорость подачи) S — величина перемещения режущей кромки
относительно обработанной поверхности в единицу времени (или величину ей
эквивалентную). При точении и сверлении подача определяется за один оборот
заготовки и имеет размерность мм/об; при фрезеровании, шлифовании — за
единицу времени (мм/мин), при протягивании — на один зуб режущего инструмента (мм/зуб).
Кроме того, по характеру движения различают продольную, поперечную,
наклонную, вертикальную, круговую, а также непрерывную и прерывистую подачи.
Скорость резания V — величина перемещения каждой точки режущей
кромки относительно поверхности резания в единицу времени.
Рисунок 7.4 – Элементы режима резания: а) – схема продольного точения;
б) – сечение среза
Строго говоря, скорость резания есть сумма векторов двух скоростей
движения (главного и подачи), но поскольку скорость подачи существенно
меньше скорости главного движения, то на практике ее влияние не учитывается. Кроме того, скорость резания является величиной переменной по длине режущей кромки. Однако в практических расчетах принимается ее максимальное
значение, определяемое по формуле
V 
 Dn
1000
140
, м/мин,
где D — наибольший диаметр заготовки (при точении) или инструмента
(при сверлении, шлифовании, фрезеровании) в миллиметрах, n — частота вращения заготовки (инструмента), об/мин.
Кроме трех основных параметров вводят еще два вспомогательных: ширину и толщину срезаемого слоя (рисунок 7.4, б).
Ширина среза b — расстояние между обрабатываемой и обработанной
поверхностями, измеренное вдоль режущей кромки.
Толщина среза а — расстояние между двумя последовательными положениями поверхности резания, измеренное по нормали к режущей кромке.
Между подачей, глубиной резания и размерами срезаемого слоя существуют следующие зависимости:
a=S·sinφ;
b=t/sinφ;
a·b=S·t.
Из этих формул видно, что при одних и тех же значениях S и t с увеличением главного угла резца в плане φ толщина среза увеличивается, а ширина
уменьшается. Чем меньше длина активной части режущей кромки (ширина среза), тем выше термодинамическая нагрузка на единицу длины кромки, интенсивнее износ и меньше стойкость инструмента. Таким образом, величины а и b
более полно характеризуют физическую сторону процесса резания, в то время
как подача и глубина резания являются технологическими характеристиками
процесса.
7.2 Трение и деформация металла при резании
При обработке металлов режущими инструментами имеют место различные виды трения, имеющие свои специфические особенности (сухое, граничное, трение чистых, неокисленных поверхностей при больших давлениях и высоких температурах). На точность обработки и качество поверхности наибольшее влияние оказывает трение на контакте инструмента с заготовкой.
Сильно деформированная стружка движется по передней поверхности
инструмента, оказывая на нее большое давление. Имеет место также трение
задней поверхности о заготовку. Это приводит: а) к тепловыделению, б) к образованию нароста на режущем инструменте. Указанные явления (наростообразование, тепловыделение) оказывают существенное влияние на процесс резания.
Нарост на режущем инструменте
При трении двух металлов наблюдается слипание трущихся поверхностей, в результате чего частицы одного металла остаются на поверхности другого. Это происходит даже при обычных температурах, а особенно интенсивно
— при резании металлов, в условиях высоких температур и давлений. Указанное явление называется наростообразованием.
141
Рисунок 7.5 – Нарост на режущем инструменте
Нарост (рисунок 7.5) имеет клиновидную форму и представляет собой
часть обрабатываемого металла, сильно сдеформированного и приваренного к
резцу в “застойной зоне”. Твердость нароста в 2–3 раза выше твердости обрабатываемого металла, благодаря чему он может резать металл. Нарост все время
уносится стружкой и вновь образуется (до 200 раз в секунду).
Для образования нароста необходимы определенные температуры и давления. При низких скоростях резания (до 5–7 м/мин) нарост не образуется (мала
температура); при повышении скорости происходит образование нароста, а при
больших скоростях (выше 70–90 м/мин) нарост исчезает, так как при повышении температуры он размягчается (отпускается) и уносится стружкой.
Положительное значение нароста: снижает износ резца, выполняя резание; увеличивает передний угол, что облегчает процесс резания; улучшает теплоотвод от режущего лезвия.
Отрицательное значение нароста: ухудшает качество обработанной поверхности; изменяет геометрию резца, что приводит к снижению точности размеров детали; постоянное изменение переднего угла вызывает колебание сил
резания, вибрацию системы СПИД.
Очевидно, что нарост полезен при грубой черновой и недопустим при чистовой окончательной обработке.
Меры для уменьшения наростообразования: применение смазывающеохлаждающей жидкости (СОЖ); полировка передней грани резца; работа на
высоких скоростях; наложение колебаний (вибраций).
Деформирование срезаемого слоя
Мерой деформации снимаемого слоя является завивание, усадка и наклеп
стружки.
142
Завивание стружки обуславливается тем, что встречаясь с резцом, она
вынуждена резко изменить направление движения. Этому способствует также
неравномерное охлаждение стружки по толщине — стружка сильнее охлаждается (а, следовательно, и сжимается) в наружных слоях.
При работе со сливной стружкой желательно, чтобы она завивалась в виде винтовой спирали. Малозавитая лентообразная стружка опасна для рабочего,
так как она наматывается на заготовку, обвивает резец, суппорт, мешает следить за процессом, неудобна для транспортирования.
Завиванию стружки способствует уменьшение толщины среза и скорости
резания.
В ряде случаев приходится применять специальные приемы для завивания и ломания стружки: с помощью лунок на передней поверхности резца,
стружкозавивательных порожков, путем установки специальных стружколомателей и стружкозавивателей на резец.
Степень завивания и усадки стружки обязательно учитывают при конструировании канавок многолезвийного инструмента (протяжки, фрезы, сверла,
развертки) в которых должна разместиться стружка.
Деформация обработанной поверхности
Обработанная поверхность, независимо от метода обработки, всегда
представляет собой сочетание выступов и впадин (микронеровности). Их можно рассматривать как след движения режущих кромок инструмента, в результате чего на обработанной поверхности образуются гребешки и впадины.
Шероховатость поверхностей деталей РИМ является важнейшим показателем качества и оказывает существенное влияние на прочность, износостойкость, долговечность, коррозионную стойкость и пр. Поэтому весьма важным
является знание и учет технологических факторов, влияющих на величину микронеровностей при обработке.
Начало научного исследования микрогеометрии обработанной поверхности положил профессор В.Л.Чебышев, который в 1873 г впервые вывел формулу для определения шероховатости при фрезеровании. При его содействии в
1893 г на Тульском оружейном заводе были применены лекала для контроля
шероховатости (это были первые в мире эталоны шероховатости).
Исследованиями установлено, что образование микронеровностей не является процессом чисто геометрическим, а существенно зависит от явлений
процесса резания. Важнейшим фактором, влияющим на образование микронеровностей, является пластическая деформация материала среза и обработанной
поверхности.
Чем пластичнее металл и крупнее его структура, тем выше шероховатость обработанной поверхности. На ней образуются надрывы, отдельные волокна срываются с ее поверхности. Сталь с мелкозернистой структурой обрабатывается чище, поэтому рекомендуется перед чистовой обработкой подвергать
ее нормализации или отжигу.
143
Из элементов режима резания преобладающее влияние на шероховатость
оказывает подача. С увеличением подачи (в меньшей степени глубины резания)
возрастает площадь сечения среза, температура, величина нароста, что приводит к увеличению шероховатости. Влияние скорости резания на шероховатость
определяется, в основном, величиной нароста. При обработке хрупких материалов (чугун, бронза) нарост не образуется и, с увеличением скорости, шероховатость постепенно снижается (меньше деформации и вибрации). При обработке сталей с малыми (до 5 м/мин) и высокими скоростями (свыше 70 м/мин) обработанная поверхность чище (нарост отсутствует, вибрации минимальны). В
зоне средних скоростей сталь больше деформируется, нарост максимальный,
вибрации интенсивные и, как следствие, шероховатость выше.
Из геометрических параметров резца наибольшее влияние на шероховатость оказывают радиус при вершине r и углы в плане φ и φ1, чем больше r и
меньше φ и φ1, тем ниже шероховатость (уменьшается высота остаточного сечения среза). По мере износа резца шероховатость увеличивается, так как поверхности резца становятся шероховатыми, кромки разрушаются (выкрашиваются), что увеличивает работу трения, нарост, вызывает появление вибраций.
Поэтому необходимо тщательно затачивать резец и доводить (полировать) его
поверхности.
Смазывающе-охлаждающая жидкость (СОЖ) улучшает качество поверхности, так как уменьшает трение, затрудняет образование нароста и замедляет износ резца.
В результате пластического деформирования происходит упрочнение
стружки и металла впереди резца в поверхностном слое. Упрочненный слой
(глубиной от сотых долей до нескольких миллиметров) имеет повышенное значение твердости, предела текучести и предела прочности.
Влияние радиуса закругления вершины резца показано на рисунке 7.6.
Рисунок 7.6 – Профиль поверхности при точении
144
Увеличение микротвердости поверхностного слоя (при хорошей чистоте)
улучшает эксплуатационные свойства деталей (повышается износостойкость и
усталостная прочность). Поэтому часто специально упрочняют поверхностный
слой с помощью таких отделочных операций, как обкатка шариками и роликами, алмазное выглаживание, дробеструйная обработка и др.
Вибрации (колебания) при резании. Для того, чтобы получить высокую
точность и чистую поверхность, не снижая стойкости режущего инструмента,
нельзя допускать возникновения колебаний системы СПИД, то есть процесс резания должен быть виброустойчивым. При резании металлов наблюдаются два
вида колебаний: вынужденные и самовозбуждающиеся (автоколебания).
Вынужденные колебания возникают из-за периодически действующей
возмущающей силы и могут появиться: а) при прерывистом характере процесса
резания; б) при дисбалансе вращающихся частей станка, детали или инструмента; в) при наличии дефектов в передачах станка; г) когда внешнее воздействие на систему происходит не непосредственно, а через изменение параметров системы; д) при передаче станку колебаний от других станков или машин,
работающих поблизости. Для уничтожения этих колебаний необходимо устранить причины, вызывающие указанные вредные воздействия.
Автоколебания. К ним относятся такие вибрации, у которых переменная
сила, их поддерживающая, создается и управляется самими колебаниями. Причинами автоколебаний могут служить: периодический срыв наростов, периодическое изменение нормальных сил и сил трения на контактных поверхностях
при образовании стружек скалывания, неравномерность сечения стружки при
изменении радиальной составляющей силы резания и другие причины.
Автоколебания бывают:
1.
Низкочастотные (частотой до 300–500 Гц). При этом возникает звук
низкого тона, резко ухудшается чистота поверхности и процесс резания необходимо прекращать.
2.
Высокочастотные (3000–5000 Гц и более). Появляется мелкая волнистость на поверхности детали, возникает звук высокого тона.
Для борьбы с автоколебаниями применяют следующие способы: основной – повышение жесткости системы СПИД; правильный выбор геометрии режущих инструментов (углов в плане и переднего угла), применение виброгасящих фасок на передней поверхности резца; применение различных виброгасящих и демпфирующих устройств.
Наряду с общим вредным влиянием вибраций в процессе резания в последнее время наметилась тенденция широко использовать регламентированные вынужденные колебания инструмента как средство улучшения некоторых
частных характеристик процесса резания.
Регламентированные вынужденные колебания создаются различными системами: ультразвуковыми генераторами, электроимпульсными вибраторами,
гидравлическими пульсаторами и т.д.
Изучение влияния технологических факторов на качество обработанной
поверхности позволяет сознательно управлять процессом резания и получать
145
детали при ремонте и производстве РИМ не только с заданными размерами, но
и с высокими эксплуатационными характеристиками.
7.3 Силы и тепловыделение в процессе резания
Силы резания
Для того, чтобы происходило резание, к резцу должна быть приложена
некоторая сила для преодоления сопротивления металла образованию стружки,
что, в свою очередь, вызывает действие сил на резец со стороны обрабатываемой заготовки.
Все силы можно привести к суммарной равнодействующей силе R, расположенной в пространстве и приложенной к резцу. Однако равнодействующая
в практических расчетах не применяется. Для удобства измерения и изучения
силу раскладывают на три составляющие: Рz, Py и Px (рисунок 7.7).
Рисунок 7.7 – Схема действия сил на резец
Сила резания Рz (тангенциальная сила) — касательная к поверхности резания и совпадающая с вектором скорости резания.
Радиальная сила Py направлена горизонтально и перпендикулярно оси заготовки.
Осевая сила Px (сила подачи) действует параллельно оси заготовки в
направлении, противоположном движению подачи.
Наибольшей из составляющих сил резания является сила Рz, которая, в
основном и определяет мощность, потребную для резания.
На величину сил резания оказывают влияние физико-механические свойства обрабатываемого материала, СОЖ, износ резца, его геометрия, элементы
режима резания и другие факторы. В связи с этим теоретическое определение
сил резания не представляется возможным. При исследованиях составляющие
сил резания измеряются с помощью специальных приборов — динамометров
(гидравлических, механических, электрических и других).
146
На практике для подсчета сил резания используются следующие эмпирические зависимости:
Pz  CPz  t X z  S Yz  V n  K z , Н ;
Py  C Py  t y  S y  V n  K Y , Н ;
X
Y
Рx  CPx  t X x  S Yx  V n  K x , Н .
Здесь СPz, СPy СPx — коэффициенты, характеризующие данный материал и
условия его обработки;
Xz, Yz, Xy, Yy, Xx, Yx, n — показатели степеней при глубине резания , подаче
и скорости резания;
Kz, Ky, Kx, — общие поправочные коэффициенты, учитывающие конкретные условия обработки.
Значения этих коэффициентов для различных материалов и условий обработки даются в справочной литературе (справочники технолога, справочник
металлиста, общемашиностроительные нормативы по режимам резания).
Наибольшее влияние на силы оказывает глубина резания (X≈1), несколько меньшее — подача (Y≈0.75). Влияние скорости резания не монотонно: при
малых скоростях n=0, в практически применяемом диапазоне скоростей n= –
0,15 (то есть с увеличением скорости силы уменьшаются, так как меньше деформация).
Силы, действующие в процессе резания, необходимо знать для правильного расчета и конструирования режущего инструмента, станков и приспособлений, для расчета жесткости системы СПИД и мощности, затрачиваемой на
резание. Знание этих сил нужно и для правильной эксплуатации оборудования
и технологической оснастки.
Воздействие сил резания Рz, Py, Px на систему СПИД следующее:
Сила Pz:
а) Действует на механизм главного движения. По ней проверяется достаточность мощности станка
N рез  Pz  V  N ст   .
б) Изгибает державку резца. По ней производится проверка прочности
державки.
Сила [Pz], допускаемая по прочности державки резца прямоугольного сечения определяется по формуле:
B  H 2   и
Pz  Pz  
,
6l
где В — ширина державки, мм; Н — высота державки, мм; [σ]и — допускаемое напряжение на изгиб материала державки; l — вылет резца, мм.
в) Производит кручение и изгиб заготовки в вертикальной плоскости.
Крутящий момент
147
М кр 
Pz  Д
 М ст
2
должен быть меньше момента, создаваемого станком, иначе произойдет
торможение.
Сила Py:
а) Изгибает заготовку в горизонтальной плоскости, что вызывает погрешность формы детали. По совместному действию Pz и Py проверяют жесткость
заготовки:
Pz  Py 
2
2
3E  I  f
,
L3
где Е — модуль упругости, I — момент инерции сечения заготовки, f —
допустимая стрела прогиба заготовки, L — вылет заготовки из патрона.
б) Производит сжатие и изгиб державки резца.
Сила Px:
а) Изгибает и скручивает державку резца (с целью упрощения расчет
державки обычно производят только от действия силы Pz);
б) Действует на механизм подачи станка, на опоры шпинделя. Осевая сила Px (сила подачи) не должна превышать наибольшую силу, допускаемую
прочностью самого слабого звена механизма подач станка (приводится в паспорте станка):
Px  Px ст .
Тепловые явления при резании
В процессе резания металлов в результате затраченной работы выделяется теплота. Возникая, как результат деформации и трения, теплота и температура оказывают влияние на ход процесса резания. Поэтому температура резания занимает важное место среди других факторов, определяющих точность
обработки, упрочнение, условия образования нароста, качество обработанной
поверхности, остаточные напряжения, прижоги и трещины в поверхностном
слое детали. Отыскание связи между условиями резания и температурой в зоне
резания позволяет формулировать требования к материалу режущего инструмента, к назначению режимов резания, к качеству обработки.
Источниками образования теплоты в процессе резания являются (рисунок
7.8.):
а) работа упругопластических деформаций срезаемого слоя. Теплота сосредоточена в области срезаемого слоя (зона 1);
б) работа трения сходящей стружки о переднюю грань инструмента. Теплота концентрируется на границе раздела передней поверхности и стружки (зона П);
в) работа трения задней поверхности резца о поверхность обрабатываемой заготовки. Теплота сосредоточена на обработанной поверхности около режущей кромки (зона Ш).
148
Впервые вопрос о теплообмене при резании изучил русский ученый Я.
Г. Усачев. Он показал, что при токарной обработке в среднем 50 - 80% тепла
уходит в стружку; 40 - 10% - в резец; 9 - 3% - в заготовку и только около 1% - в
окружающую среду.
Тепло, переходящее в резец, размягчает его (снижает твердость) и делает менее износостойким.
Выделяясь в зоне стружкообразования, тепло оказывает большое влияние на состояние трущихся поверхностей (изменяя коэффициент трения), на
точность обработки, на весь процесс резания и связанные с ним явления (наростообразование, упрочнение, износ инструмента, деформации). Нагрев поверхности обрабатываемой детали может привести к структурным изменениям в
металле, вызвать прижоги и другие поверхностные дефекты.
Рисунок 7.8 – Схема теплообразования при резании:
1 – зона наибольших пластических деформаций, 2 – зона трения стружки о
переднюю поверхность резца, 3 – зона трения обрабатываемой заготовки о
заднюю поверхность резца
В связи с этим необходимо знать влияние различных факторов на тепловыделение и распределение температурных полей.
Полное уравнение температуры резания в зависимости от условий обработки имеет вид
Т=С · Vz · Sx · ty,0C,
где С – общий коэффициент, характеризующий условия обработки (обрабатываемый материал, геометрию резца, СОЖ);
z, x и y – показатели степеней характеризующие влияние скорости резания, подачи и глубины резания соответственно.
149
Наибольшее влияние на температуру в зоне резания оказывает скорость
резания, меньшее – подача, еще меньше – глубина резания, то есть z > x > y.
Значения коэффициентов приводятся в справочной литературе.
Для повышения стойкости инструмента необходимо снизить общую
тепловую напряженность процесса и обеспечить интенсивный отвод тепла из
зоны резания. Это осуществляется применением смазывающе-охлаждающих
жидкостей. СОЖ должны обладать хорошими охлаждающими и смазывающими (для снижения трения) свойствами; не должны вызывать коррозии детали и
станка, содержать токсичные компоненты. Наиболее широкое применение
нашли следующие СОЖ: водные растворы минеральных электролитов, эмульсии, растворы мыл; минеральные, животные и растительные масла с добавками
хлора, фосфора и серы (сульфофрезолы); керосин; масла и эмульсии с добавками твердых смазывающих веществ (графит, воск, парафин и др.).
Практически все современные металлорежущие станки оснащены системами подачи СОЖ.
7.4 Типы и геометрия резцов
Части и элементы токарного резца
При обработке металлов резанием в процессе изготовления и ремонта изделий РИМ применяется разнообразный лезвийный инструмент. Однако любой
инструмент (фрезы, сверла, протяжки и др.) представляет собой видоизменение
или комбинацию форм резца. Поэтому без знания элементов и геометрии резцов невозможно глубокое понимание другого более сложного инструмента.
Резец - режущий инструмент с одной главной режущей кромкой для обработки при двух совместных относительных движениях заготовки и самого
инструмента. Резец является самым распространенным инструментом при обработке на токарных, строгальных, долбежных, расточных, револьверных, карусельных, станках-автоматах и полуавтоматах и других станках специального
назначения.
Резец состоит из двух частей: рабочей части (головки) и крепежной части
(стержня, тела или державки).
Рабочая часть образуется специальной заточкой и обеспечивает процесс
резания.
Крепежная часть служит для закрепления резца в резцедержателе станка.
Головка резца имеет следующие элементы (рисунок 7.9, а):
а) переднюю поверхность 1, по которой сходит стружка;
б) задние поверхности – главную заднюю 2, обращенную к поверхности
резания и вспомогательную заднюю 3, обращенную к обработанной поверхности;
в) режущие кромки, образованные пересечением передней и задних поверхностей; их две – главная 4, выполняющая работу резания, и вспомогательная 5;
150
Рисунок 7.9 - Элементы головки токарного проходного резца (а)
и поверхности (б) при точении
г) вершину резца 6 – место сопряжения главной и вспомогательной режущих кромок. Может быть острой, скругленной или в виде отрезка прямой
линии (у чистовых резцов);
д) стружкозавивательный порожек 7. Для излома стружки могут также
применяться специальные канавки на передней поверхности, накладные стружколомы или стружкозавиватели.
Основные углы резца
Практикой установлено, что наивыгоднейшей формой режущего инструмента является клин, заточенный с определенными углами.
Для определения углов резца устанавливаются следующие исходные
плоскости: плоскость резания и основная плоскость (рисунок 7.9, б).
Плоскость резания – плоскость, касательная к поверхности резания и
проходящая через главную режущую кромку; основная плоскость – плоскость
параллельная направлениям продольной и поперечной подачи (совпадает с
опорной плоскостью призматического резца).
Главные углы резца измеряются в главной секущей плоскости (плоскость,
перпендикулярная к проекции главной режущей кромки на основную плоскость). К главным углам резца относятся задний угол, передний угол, угол резания и угол заострения (рисунок 7.10).
Главный задний угол  — угол между главной задней поверхностью и
плоскостью резания (при плоской задней поверхности). Этот угол должен быть
только положительным, иначе будет иметь место трение задней поверхности о
151
заготовку. Оптимальные значения  = 6–120(меньшие для твердых и хрупких,
большие – для мягких и вязких обрабатываемых материалов).
Рисунок 7.10 – Углы токарного резца
Главный передний угол γ – угол между передней поверхностью резца и
плоскостью, перпендикулярной к плоскости резания и проходящей через главную режущую кромку. Он может быть положительным, равным нулю или отрицательным. На практике принимают γ = –10...+300. Отрицательные значения
– при обработке высокопрочных и твердых материалов.
Угол заострения  – угол между передней и главной задней поверхностями резца.
Угол резания  – угол между передней поверхностью и плоскостью резания.
Между углами , , γ,  существуют следующие зависимости (при положительном переднем угле):
 +  + γ = 900;  +  =  ;  + γ = 900.
152
Вспомогательные задний  и передний γ1 определяются во вспомогательной секущей плоскости, перпендикулярной к проекции вспомогательной
режущей кромки на основную плоскость.
Углы в плане резца измеряются в основной плоскости. Главный угол в
плане  — угол между проекцией главной режущей кромки на основную плоскость и направлением подачи. У стандартных проходных резцов   –900
Вспомогательный угол в плане  — угол между проекцией вспомогательной
режущей кромки и направлением подачи. Обычно  = 10–450. Угол при вершине резца в плане ε — угол между проекциями режущих кромок на основную
плоскость ε + 
Угол наклона режущей кромки в пространстве  - угол между режущей
кромкой и линией, проведенной через вершину резца параллельно основной
плоскости. Он считается отрицательным, когда вершина является наивысшей
точкой режущей кромки; равным нулю, когда режущая кромка параллельна основной плоскости; положительным, когда вершина является наинизшей точкой
режущей кромки.
Типы резцов
По назначению (виду обработки) все резцы делятся на следующие типы
(рисунок 7.11):
проходные – для обработки вдоль оси заготовки (2 - 5 на рисунке 7.11).
Они могут быть прямыми, отогнутыми, упорными с углом в плане  = 900;
подрезные 9 – для обработки поверхностей заготовки в направлении, перпендикулярном или наклонном к оси вращения. Подрезка торца осуществляется с поперечной подачей;
расточные 10 – для обработки внутренних поверхностей (расточки отверстий);
отрезные 7 и прорезные (канавочные) – для отрезки заготовки и прорезки
канавок;
резьбовые – для нарезания наружных 8 и внутренних резьб;
фасонные 1 – для обработки фасонных (сложного профиля) поверхностей;
галтельные – для протачивания закруглений и плавных переходов и некоторые другие.
По характеру обработки различают черновые (обычные) резцы и чистовые – с широкой прямой и закругленной режущими кромками (6 на рисунке
7.11)
По способу крепления режущей части с державкой: цельные, составные
неразъемные (паяные) и составные разъемные (с механическим креплением).
Резцы малого сечения (револьверные и автоматные) делают цельными из инструментальных сталей. Крупные резцы из инструментальной стали, а также
все твердосплавные, минералокерамические и алмазные резцы делаются составными. Державки таких резцов изготовляются из конструкционных углеро153
дистых сталей (обычно сталь 45), а на головку резца припаивают или механическим путем закрепляют режущую пластинку или вставку с алмазом (13 на рисунке 4.11).
По направлению подачи резцы бывают правые и левые. У правого резца
большой палец правой руки, а у левого - левой руки (при наложении ее на резец
ладонью вниз) направлен к главной режущей кромке. Правые резцы работают с
подачей справа налево, то есть от задней бабки к передней (11 на рисунке 7.11),
а левые - наоборот.
По виду материала режущей части различают резцы углеродистые
(У10A - У13А), низколегированные (9ХС, ХВГ, ХВ5 и другие), быстрорежущие
(Р9, Р18, Р6М5 и другие), твердосплавные (ВК3, ВК8, Т15К6, Т5К10 и другие),
минералокерамические, алмазные.
Рисунок 7.11 – Типы токарных резцов: 1 – фасонный; 2 – прямой проходной;
3 - 5 – отогнутые проходные; 6 – чистовой; 7 – отрезной; 8 – резьбовой;
9 – подрезной; 10 – расточной; 12 – строгальный;
13 – сборный со сменными пластинками
7.5 Точение и строгание
Виды точения и применяемый инструмент
Точение является наиболее распространенным видом обработки при производстве военной техники. Чрезвычайно велика роль точения при ремонте вооружения. На долю токарных работ приходится около 40% всего объема метал154
лообработки; токарные станки входят в состав любых (в том числе и подвижных) ремонтных органов машин и механизмов.
Обработка точением позволяет обеспечить следующие показатели точности и шероховатости поверхностей:
черновое точение: 14–12 квалитеты, RZ = 320–63 мкм;
получистовое: 12–11 квалитеты, RZ = 40–6,3 мкм;
чистовое: 11–10 квалитеты, RZ = 5–0,8 мкм;
тонкое (алмазное): 9–6 квалитеты, RZ = 5–0,4 мкм.
На универсальных токарных станках, которыми комплектуются ремонтные органы, можно выполнять следующие основные виды работ: обтачивание
наружных и растачивание внутренних цилиндрических и конических поверхностей; обработку торцев и уступов; обработку фасонных поверхностей; прорезку
внутренних и наружных канавок и отрезку деталей; нарезание внутренних и
наружных резьб резцами, метчиками и плашками; сверление, зенкерование и
развертывание отверстий вдоль оси заготовки.
Сочетая эти простейшие операции, можно получить практически любые
(даже самые сложные) детали, являющиеся телами вращения.
Основным инструментом для токарных работ служат токарные резцы;
для нарезания резьб могут применяться плашки и метчики, а для получения отверстий по оси заготовки – сверла, зенкеры и развертки, устанавливаемые в пиноли задней бабки.
Обточка цилиндрических поверхностей выполняется проходными резцами с продольной подачей.
При отношении длины заготовки к ее диаметру L /D < 4 заготовку крепят
в трехкулачковом патроне, при 4 < L /D < 10 свободный конец заготовки поддерживают задним центром, при L /D >10 - в поводковом патроне, кроме того,
используют люнеты - подвижный или неподвижный.
Детали неправильной формы (или при обработке поверхностей, не совпадающих с осями симметрии) закрепляют в четырехкулачковых патронах или на
планшайбах.
Условия работы резца изменяются в зависимости от положения его вершины относительно линии центров станка (рисунок 7.12):
 при установке резца ниже линии центров уменьшается передний угол,
что резко ухудшает условия резания. Задний угол увеличивается, но это не
улучшает условий резания;
 при установке резца выше линии передний угол увеличивается (условия резания лучше), а задний угол уменьшается, что усиливает трение резца о
заготовку. Общее правило таково:
а) при черновой (предварительной) обработке резец нужно ставить немного выше центра, учитывая отжим резца под действием силы резания Рz (величина превышения h=(0,01 - 0,02)D, где D - диаметр заготовки);
б) при чистовой (окончательной) обработке, а также при обработке методом копирования (резьбовые, фасонные резцы) инструмент устанавливают
строго по центру, во избежание искажения профиля обрабатываемой поверхно155
сти. Кроме того, при чистовой обработке силы резания незначительны и отжатия резца практически не происходит.
Для установки резца на глубину резания его подводят до касания с поверхностью вращающейся заготовки, устанавливают лимб поперечной подачи
суппорта в нулевое положение и, отведя суппорт вправо, поворачивают рукоятку поперечной подачи на число делений
X=t/С,
где t – глубина резания, мм;
C – цена деления лимба, мм (при 100 делениях лимба и шаге винта поперечной подачи 5 мм С= 5/100 = 0,05 мм).
После установки глубины резания заготовку обтачивают на длине 3 - 5
мм, останавливают станок и измеряют диаметр обточенной поверхности штангенциркулем или микрометром; при необходимости вносят поправку и обтачивают заготовку по всей поверхности.
Рисунок 7.12 – Установка резца по высоте центров станка:
а) резец установлен выше центра; б) по центру; в) ниже центра
Растачивание отверстий (позиция 10 на рисунке 7.11) выполняют расточными резцами при использовании продольной подачи аналогично обтачиванию наружных поверхностей.
Растачиванию подвергаются отверстия, предварительно полученные в
процессе изготовления заготовки (литьем, ковкой, прессованием и т.п.), либо
просверленные в сплошной заготовке. Эта операция применяется в следующих
случаях:
 когда сверление, рассверливание и зенкерование не обеспечивает необходимой точности размеров;
 при необходимости обеспечить прямолинейность оси отверстия и точность ее положения;
 при отсутствии сверла или зенкера необходимого диаметра;
 при небольшой длине отверстия.
156
Вылет расточного резца должен быть больше длины растачиваемого отверстия. Метод малопроизводителен (по сравнению с зенкерованием или развертыванием), так как исключает работу с большой глубиной резания и подачей из-за недостаточной жесткости расточного резца.
Обточку конусов на токарных станках производят несколькими способами:
а) смещением корпуса задней бабки относительно ее основания в поперечном направлении на величину h (рисунок 7.13, а). При такой установке заготовки образующая конической поверхности становится параллельной линии
центров станка, и обработку ведут проходным резцом с продольной подачей.
Этим способом обтачивают длинные конуса с небольшим углом конуса (2a <
100). При длине заготовки L и длине конической поверхности l величину h0
определяют из выражения h = L ∙ sina.
Для малых углов sina=tg a=
Dd L
Dd
 , мм.
, поэтому h =
2
2l
l
Для изготовления точных конусов этот способ непригоден, вследствие
неправильного положения центровых отверстий относительно центров;
б) поворотом верхней каретки суппорта (рисунок 7.13, б) на угол, равный
половине угла обтачиваемого конуса. Обработку ведут с ручной подачей верхних салазок суппорта. Этот способ применяют в следующих случаях:
 если длина образующей конуса невелика;
 если обрабатываемый конус имеет большой угол уклона;
 если не требуется высокая точность угла уклона;
 при низких требованиях к шероховатости;
в) широкими токарными резцами, имеющими главный угол в плане, равный половине угла обтачиваемого конуса. Точение ведут большей частью с
продольной подачей; длина главного режущего лезвия должна быть больше
длины образующей конуса. Этим способом обтачивают короткие конические
поверхности с длиной образующей до 25–30 мм;
г) с помощью специального приспособления с копировальной линейкой
1, укрепленной на задней стороне станины на кронштейнах 2 (рисунок 7.13, в).
По линейке, установленной под требуемым углом к линии центров, скользит
ползун 3, соединенный через палец 4 и кронштейн 5 с поперечными салазками
6 суппорта. Винт поперечной подачи разобщен с гайкой. При продольном перемещении суппорта ползун 3 будет двигаться по линейке 1, сообщая верхним
салазкам 6 с резцом наклонную подачу под углом α. Этот способ обеспечивает
получение точных конусов любой длины.
Обработка торцев производится подрезными резцами с помощью поперечной подачи (позиция 9 на рисунке 7.11). Глубина резания в этом случае измеряется вдоль оси заготовки. При обработке торца скорость резания переменна: она уменьшается от Vmax=
Dn
1000
на периферии заготовки до V=0 в центре. С
учетом этой особенности изменения скорости резания обработку торца производят со скоростью на 25–40% больше расчетной.
157
Рисунок 7.13 – Схемы обработки конических поверхностей
Нарезание резьб (внутренних и наружных) на токарных станках может
производиться двумя способами: метчиками и плашками, а также резцами (позиция 8 на рисунке 7.11). Достоинством нарезания резьбы резцами является
возможность получения резьбы любого диаметра и шага, а также любого типа
(метрической, дюймовой, модульной, питчевой, прямоугольной, трапецеидальной, упорной и других, в том числе нестандартных).
При этом должны быть соблюдены следующие условия: угол при вершине в плане резца ε должен быть равен углу профиля резьбы; передний угол
должен быть равен нулю; резец должен быть установлен строго по центру; биссектриса угла ε должна быть перпендикулярна оси нарезаемой резьбы.
158
Правильность заточки и установки резца контролируют по шаблону (рисунок 7.14).
Резьбу нарезают за несколько черновых и чистовых проходов. В конце
каждого прохода резец отводят от заготовки назад и обратным вращением
шпинделя возвращают суппорт в исходное положение, не выключая маточную
гайку. Подача должна быть в точности равна шагу резьбы.
Рисунок 7.14 – Установка резьбового резца по шаблону
Протачивание канавок (позиция 7 на рисунке 7.11) выполняют резцом
соответствующей формы с поперечной подачей. Широкие канавки протачивают теми же резцами сначала с поперечной, а затем с продольной подачей.
Отрезание деталей производят с поперечной подачей отрезными резцами с прямым или наклонным режущим лезвием. При работе резцом с прямым
лезвием необходимо дополнительно подрезать торец отрезанной детали.
Режимы резания при точении
При изготовлении (ремонте) деталей РИМ прежде всего следует руководствоваться соображениями экономичности. Техпроцесс обработки должен быть
таким, чтобы затраты в данных условиях были минимальны, а качество деталей
соответствовало бы техническим условиям. Основным фактором снижения затрат на обработку является повышение производительности труда.
Применительно к обработке резанием это означает применение таких режимов резания, при которых максимально используются режущие свойства инструмента и возможности оборудования и оснастки. Назначить рациональный
режим резания - это значит определить такое оптимальное сочетание глубины
резания t, подачи S , скорости резания V и периода стойкости инструмента Т,
которое обеспечит на данном станке наивысшую производительность и
наименьшую себестоимость процесса обработки.
Многочисленными исследованиями было показано (см. п. 7.3.2), что на
температуру в зоне резания, а следовательно на износ и стойкость резца,
наибольшее влияние оказывает скорость резания, меньшее — подача и
наименьшее — глубина резания. На основании этого можно сформулировать
основные положения о назначении рационального режима резания. Для повы159
шения производительности при заданном периоде стойкости инструмента
необходимо работать с возможно большей площадью сечения среза tS и соответствующей этому сечению скоростью резания. Причем при заданном сечении
среза выгоднее увеличить глубину резания за счет уменьшения подачи.
Таким образом, научно обоснованным является следующий порядок
назначения режима резания:
а) задаются максимально возможной, технологически допустимой глубиной резания;
б) по выбранной глубине резания назначают максимальную, технологически допустимую подачу;
в) по выбранным глубине резания и подаче, задавшись величиной периода стойкости инструмента, определяют допускаемую скорость резания.
Выбор режимов резания может выполняться на основе расчетов, а также
с помощью нормативов.
Выбор глубины резания определяется в основном величиной припуска
на обработку. Если нет ограничений по точности (шероховатости) обработанной поверхности, по мощности (прочности) станка, прочности (жесткости) режущего инструмента, то весь припуск снимают за один проход. В противном
случае припуск разбивают на черновые и чистовые (получистовые) проходы.
При этом глубина резания для чистовых проходов определяется исключительно
требованиями к точности и шероховатости обрабатываемой поверхности. В
среднем, при получистовом точении (RZ = 40–10 мкм) t = 2–0,5 мм; при чистовом (Rz = 10–2,5 мкм) t = 0,5–0,1 мм.
Выбор подачи. Целесообразно всегда работать с максимально допустимой подачей; однако она ограничивается: эффективной мощностью или крутящим моментом станка; прочностью самого слабого звена механизма подачи
станка; прочностью и жесткостью инструмента и детали; шероховатостью обработанной поверхности.
На практике подача обычно выбирается по нормативам режимов резания,
составленным на основе опыта работы машиностроительных заводов. Иногда
применяют аналитический метод расчета. В любом случае следует помнить,
что если при черновой обработке подача выбирается из условия максимального
использования возможностей станка, инструмента и оснастки, то при окончательных (чистовых) операциях она определяется исключительно требованиями
точности и шероховатости обработанной поверхности.
Рекомендуемые величины подач при точении приведены в справочной
литературе. Подачи, содержащиеся в таблицах, даются независимо от кинематики станка, на котором будет производиться обработка. Поэтому выбранная
подача должна быть скорректирована с паспортными данными станка (принимают обычно ближайшую меньшую).
Выбранную для чернового точения подачу проверяют по осевой силе резания, по прочности механизма подач станка, по прочности державки резца и
пластинки твердого сплава. Если выбранная подача не удовлетворяет данным
условиям, то необходимо ее уменьшить и вновь произвести проверку.
160
Проверку подачи при чистовой обработке обычно не проводят.
Расчет и выбор скорости резания. После выбора глубины резания и подачи, задавшись определенной величиной периода стойкости режущего инструмента, определяют допускаемую скорость резания. Она зависит от целого
ряда факторов: стойкости инструмента; обрабатываемого материала; материала
и геометрии режущего инструмента; глубины резания и подачи; свойств смазывающе-охлаждающей жидкости; допустимой величины износа режущего инструмента; вида обработки и др.
Общее выражение для скорости резания при точении имеет вид
C
V  m X v Y  K V , м/мин,
T t S
где СV - коэффициент, характеризующий определенные (эталонные)
условия обработки, то есть такие, когда поправочный коэффициент КV=1;
Т - период стойкости инструмента в мин;
m, ХV, УV - показатели степени, характеризующие влияние стойкости,
глубины и подачи соответственно;
КV - общий поправочный коэффициент на измененные условия обработки, по отношению к тем, для которых даётся значение СV. Этот коэффициент
равен произведению частных коэффициентов, учитывающих влияние каждого
из перечисленных выше факторов, то есть
V
V
КV = КМ  КП  КИ  КУ  Ксож...
Все коэффициенты и показатели степеней приведены в справочной литературе.
Можно использовать также статистический (табличный) метод, когда
значение скорости резания подбирается по нормативам. И в этом случае нужно
ввести поправочные коэффициенты на измененные (конкретные условия обработки), то есть
V=Vтабл  КМ  КП  КИ  КУ  Ксож...
После определения скорости резания (любым методом) рассчитывается
частота вращения заготовки
n
1000  V
  D , об/мин,
где D – диаметр заготовки в мм.
По расчетному значению n подбирается по паспорту станка ближайшее
меньшее (ближайшее большее может быть выбрано, если оно превышает расчетное не более чем на 5%).
Затем определяется мощность, необходимая на резание, которая сравнивается с мощностью станка, то есть
PZ  V + PXS  n  Nдв  ,
161
где Nдв – мощность электродвигателя станка;
 = 0,75–0,8 – коэффициент полезного действия станка.
Следует иметь в виду, что если неравенство не удовлетворяется, то следует уменьшить скорость резания, оставив принятые значения глубины резания
и подачи (а не наоборот).
Особенности процесса строгания
Строгание (и долбление) применяется для обработки плоскостей и несложных фасонных поверхностей с прямолинейными образующими (шпоночные пазы, канавки, лыски и т.п.). На рисунке 7.15 показаны основные виды
строгания: а) - горизонтальных поверхностей; б) - торцевой плоскости; в) наклонной плоскости; г) - пазов и канавок.
Строгание осуществляется на станках с прямолинейным возвратнопоступательным движением резца (реже заготовки), которое является главным
движением резания, и с периодической подачей в направлении, перпендикулярном направлению главного движения резания.
Обработка строганием и долблением позволяет получить следующие показатели точности и шероховатости поверхностей:
черновая обработка: 12 – 13 квалитеты, RZ= 40–12,5 мкм;
чистовая обработка: 8 – 10 квалитеты, RZ= 10–3,2 мкм.
Основное достоинство процесса — чрезвычайная простота и дешевизна
режущего инструмента (по сравнению с фрезами).
Рисунок 7.15 – Схемы строгания
Процесс резания при строгании и долблении протекает так же, как при
точении. Стружкообразование сопровождается упругим и пластическим де162
формированием, интенсивным трением и выделением тепла, образованием
нароста и износом инструмента, повышением твердости. Вместе с тем строгание имеет существенные особенности:
1.Прерывистый характер резания. После окончания рабочего хода резец
выходит из контакта с обрабатываемой деталью и во время холостого хода
охлаждается, что положительно сказывается на его стойкости.
2. Наличие ударных нагрузок. В начале каждого рабочего хода резец испытывает удар о заготовку, что отрицательно сказывается на его прочности и
стойкости. Это ограничивает применение хрупких твердых сплавов.
3. Наличие больших сил инерции при реверсировании движущихся частей строгального станка не дает возможности работать на больших скоростях
резания (выше 70–80 м/мин).
4. Непроизводительные потери времени на холостые хода снижают производительность процесса.
В качестве режущего инструмента применяют резцы с пластинками из
быстрорежущей стали и твердых сплавов повышенной прочности (ВК6, ВК8,
Т15К6, Т5К10, ТТ7К12). Для компенсации ударной нагрузки величина сечения
у них принимается в 1,25–1,5 раза больше, чем у токарных (для той же глубины
резания), передний угол делают на 5–100 меньше, чем у токарных.
Наибольшее распространение для строгания получили изогнутые резцы
(рисунок 7.16, б).
Головка у них отогнута назад так, что вершина резца находится в одной
плоскости с опорной поверхностью. У прямого резца (рисунок 7.16, а) под действием сил резания державка отгибается назад, поворачиваясь вокруг центра 0,
в результате чего увеличивается глубина резания и заедание резца. В связи с
колебаниями сил ухудшается качество поверхности (шероховатость).
Рисунок 7.16 - Изгиб строгального резца
У изогнутых резцов дополнительное внедрение резца в металл и колебания глубины резания практически отсутствуют, и качество поверхности полу163
чается выше. В то же время жесткость (стойкость) резца ниже. Поэтому для
предварительной (черновой) обработки применяют наряду с изогнутыми и
прямые резцы, а для чистовой - только изогнутые.
Методика выбора элементов рационального режима резания, при строгании такая же, как и при точении:
1. Назначается глубина резания в зависимости от припуска, требований к
точности и шероховатости поверхности, мощности станка.
2. Выбирается максимальная технологически допустимая подача в зависимости от точности, шероховатости поверхности, прочности резца. Подача
имеет размерность: мм/двойной ход.
3. Подсчитывается скорость резания (см. формулы для точения) с учетом
ударной и прерывистой работы. Поправочный коэффициент Куд = 0,75 (для
строгания).
4. По найденной скорости резания определяют соответствующее число
двойных ходов в минуту:
1000  V
n
, дв. ход/мин,
L(1  m)
где L - длина хода, мм,
m
Vр
Vх
- отношение скоростей рабочего и холостого хода (дается в
паспорте станка), обычно т = 0,7 - 0,75.
Найденное п уточняется по паспорту станка (берется ближайшее меньшее).
5. Проверяется наличие достаточной мощности станка
PZ  V
 ст
 N дв
Если мощность двигателя Nдв недостаточна, необходимо уменьшить интенсивность режимов резания (или использовать более мощный станок).
7.6 Сверление, зенкерование и развертывание
Сущность процесса сверления и применяемый инструмент
В практике производства и ремонта РИМ очень часто возникает необходимость получения отверстий в сплошном материале или увеличения размеров
уже имеющегося отверстия, например, для нарезания внутренней резьбы; при
скреплении деталей болтами, заклепками, шпильками, штифтами; при ремонте
методом установки дополнительных деталей (штырей, втулок); при изготовлении новых деталей с отверстиями взамен поврежденных или изношенных и т.п.
Стационарные ремонтные органы укомплектованы сверлильными станками с максимальным диаметром сверления до 75 мм (2Н118, 2Н125, 2Н135,
2Н150, 2Н175). В различных (подвижных) ремонтных мастерских (комплект
164
ДАРМ) имеются сверлильные станки с максимальным диаметром сверления до
12 мм - 2А106П (машина ОП), НС-12 (машина МРС).
Наиболее распространены в условиях ремонта следующие виды обработки отверстий: сверление (рассверливание), зенкерование и развертывание
(рисунок 7.17). Сверление и рассверливание являются черновыми операциями
(11 - 14 квалитеты, Rz=25 - 100 мкм); зенкерование - получистовой (9 - 11 квалитеты, Rz=12,5 - 50 мкм); развертывание - чистовой, окончательной (6 - 9 квалитеты, Rz=1,6 - 25 мкм).
Рисунок 7.17 – Виды обработки отверстий
Для получения точных отверстий с чистой поверхностью процесс обработки строят по следующей схеме: сначала сверление, затем зенкерование и,
наконец, развертывание. При этом после каждой операции (кроме последней)
оставляют припуск определенной величины для последующей операции.
Сверление - процесс получения отверстия в сплошном материале. При обработке на универсальных сверлильных станках как главное (вращательное),
так и движение подачи (поступательное) совершает инструмент. Заготовка крепится на столе станка и остается неподвижной.
Для сверления отверстий применяют различные типы сверл: спиральные,
перовые, центровочные, для глубокого сверления, для кольцевого сверления и
некоторые другие. В практике ремонта артиллерийского вооружения наибольшее распространение получили спиральные сверла (рисунок 7.18), состоящие
из рабочей части и хвостовика.
165
Рисунок 7.18 – Части спирального сверла
с коническим (вверху) и с цилиндрическим (внизу) хвостовиком
Рабочая часть снабжена двумя винтовыми канавками и состоит из режущей и направляющей частей.
Режущая часть сверла заточена на конус для образования режущих кромок, выполняющих работу резания. Направляющая часть обеспечивает направление сверла в отверстие за счет винтовой ленточки - выступающей узкой полоски.
Хвостовик (конический или цилиндрический) служит для закрепления
сверла в шпинделе станка или патроне и передачи крутящего момента.
Рабочая часть сверла изготовляется обычно из инструментальных сталей
(У12А, 9ХС, Р9, Р18, Р6М5 и др.), а хвостовик из конструкционных сталей (40,
45 и др.); эти части соединяются стыковой электроконтактной сваркой или
сваркой трением. Применяются также сверла с напаянными пластинками твердых сплавов (ВК3, ВК8, Т5К10, Т15К6 и др.). Стандартные сверла выпускаются
диаметрами от 0,1 до 80 мм.
Геометрические параметры режущей части сверла показаны на рисунке 7.19. Сверло имеет две главные, две вспомогательные и одну поперечную
режущие кромки. В отличие от резца передние поверхности сверла винтовые,
главные задние - криволинейные, а вспомогательные задние - винтовые ленточки.
166
Рисунок 7.19 – Геометрические параметры режущей части спирального сверла
Основными углами сверла являются:
а) Угол при вершине 2φ (двойной угол в плане). С уменьшением этого угла увеличивается длина режущей кромки и падает термодинамическая нагрузка
на единицу ее длины, что повышает стойкость сверла, однако снижается его
прочность. Для обработки сталей средней твердости (стандартные сверла)
2φ=1180; для обработки мягких материалов этот угол уменьшают до 2φ=700, а
твердых - увеличивают до 2φ=1400.
б) Угол наклона винтовой канавки ω. Чем больше наклон канавок, тем
лучше отводится стружка, но тем меньше прочность и жесткость сверла. У
стандартных сверл угол ω=20–300; у сверл для глубокого сверления (рисунок
4.20) этот угол увеличивают примерно в два раза (ω=50–650) для лучшего отвода (размещения) стружки. Кроме того применяют сверла с двумя каналами для
внутреннего подвода СОЖ под высоким давлением. СОЖ кроме обычного
охлаждающего действия выдавливает стружку по винтовым канавкам сверла. И
в том и в другом случаях отпадает необходимость частого вывода сверла из отверстия для удаления стружки, что повышает производительность.
в) Передний угол γ в каждой точке режущей кромки является величиной
переменной, так как передняя поверхность винтовая. Он может быть определен
так
tg 
rx tg

,
R sin 
где rx – радиус рассматриваемой точки;
R – радиус сверла.
167
Рисунок 7.20 – Сверла для глубокого сверления:
а, б – с внутренним подводом охлаждающей жидкости; в – с крутой спиралью
Наибольшее значение угол γ имеет на периферии сверла (γ≈ω), а
наименьшее - у вершины сверла. На поперечной кромке этот угол имеет отрицательное значение, что создает тяжелые условия работы. Наличие же большого переднего угла на периферии приводит к наибольшему износу этого участка.
г) Задний угол α также переменный, он образуется заточкой сверла.
Обычно делают задний угол на периферии 8–140, у сердцевины 20–250 (из
условия более или менее одинакового угла заострения зуба вдоль всей длины
режущей кромки).
Из рассмотренного видно, что сверлению, по сравнению с точением присущ ряд особенностей, затрудняющих процесс стружкообразования:
 уменьшение переднего угла по мере приближения к оси сверла;
 тяжелые условия резания у поперечной кромки (угол резания здесь
больше 900);
 большое трение об обработанную поверхность из-за отсутствия заднего угла на ленточках;
 затруднены отвод стружки и подача СОЖ к режущим кромкам.
168
С целью облегчения стружкообразования и повышения режущих свойств
сверла производят двойную заточку сверла и подточку перемычки и ленточки.
Режимы резания при сверлении
Выбор рационального режима резания сводится к подбору наиболее выгодного сочетания подачи и скорости резания при заданных условиях обработки, при котором процесс сверления будет наиболее производительным и экономичным, полностью будут использованы режущие способности инструмента,
кинематические возможности и мощность станка и, в то же время, будут выполнены технические требования к детали (то есть требования чертежа и другой ремонтной или конструкторской документации).
Режим резания при сверлении (рассверливании) назначается по следующей методике:
 выбирается сверло (тип, материал, диаметр) и рациональная геометрия
его режущей чести, исходя из условий обработки (обрабатываемый материал,
глубина сверления и т.п.).
При ремонте вооружения чаще всего используют стандартные спиральные сверла. Однако, при отсутствии стандартного сверла нужного диаметра
можно изготовить перовое сверло по эскизу, приведенному в "Общем руководстве по ремонту РАВ" (рисунок 7.21);
Рисунок 7.21 – Эскиз перового сверла
 определяется (по нормативам или расчетным путем) максимально допустимая подача, исходя из свойств обрабатываемого материала, требуемой
точности и шероховатости, дальнейшей обработки отверстия. Выбранная подача сверяется с паспортом станка и принимается ближайшая меньшая. После
этого подача проверяется по осевой силе, допускаемой механизмом подачи
станка (по паспорту)
Р0=Ср · DZp · SZp · Кр ≤ [Р0].
Если Р0>[Р0], то соответственно подачу уменьшают;
169
 назначается период стойкости сверла Т по нормативам. Например, для
быстрорежущих сверл диаметром от 5 до 50 мм стойкость соответственно равна от 15 до 90 мин для стали и от 20 до 140 мин для чугуна;
 по выбранным подаче и стойкости определяется скорость, допускаемая сверлом
Cv  D Z v
V  m Yv  K v , м/мин.
Т S
Скорость резания может быть выбрана также по нормативам;
 подсчитывается частота вращения шпинделя (сверла), сверяется с паспортом станка и берется ближайшее меньшее
n
1000  V
,
  D об/мин;
 определяется крутящий момент на сверле
Мкр=См ∙ DXм ∙ SYм ∙ Км
и мощность сверления Nе=Мкр ∙ n, которая сравнивается с паспортной мощностью станка (Nшп=Nдв ∙ η).
Если Nе > Nшп, то уменьшают n соответственно отношению Nшп/Nе и вновь корректируют n по паспорту станка.
Зенкерование и развертывание
Как уже говорилось, сверление является черновой (предварительной)
обработкой, так как позволяет получить лишь грубую поверхность с низкой
точностью размеров и формы отверстия. Кроме того имеет место биение и увод
сверла от оси (непрямолинейность оси отверстия). Поэтому в тех случаях, когда
к качеству обработки предъявляются повышенные требования, после сверления
применяют зенкерование, а в случае необходимости и развертывание.
Зенкерование - процесс увеличения размера отверстия с помощью специального инструмента зенкера, имеющего 3–6 главных режущих кромкок
(зубьев).
Зенкеры не пригодны для получения отверстия в сплошном материале,
поэтому они применяются для увеличения диаметров отверстий, полученных
другими способами (литьем, ковкой, штамповкой, сверлением и т.п.).
Зенкеры изготовляются из быстрорежущей стали, реже оснащаются пластинами твердого сплава. По конструкции зенкер (рисунок 7.22) сходен со спиральным сверлом, однако у него отсутствует поперечная режущая кромка и
число зубьев (режущих кромок) увеличено до 3–6.
170
Рисунок 7.22 – Зенкер
Это предопределяет следующие особенности зенкерования по сравнению
со сверлением:
 более благоприятные условия резания из-за отсутствия поперечной
режущей кромки;
 большая точность размеров и формы отверстия, так как зенкер своими
тремя - шестью ленточками точнее направляется в отверстие и обеспечивает
прямолинейность оси отверстия лучше, чем сверло;
 более высокое качество поверхности, так как зенкер по сравнению со
сверлом имеет большее количество режущих кромок и на каждую из них приходится меньше толщина стружки;
 зенкер жестче и прочнее сверла, что позволяет увеличить подачу на 1
оборот, то есть повысить производительность.
Благодаря этому зенкерование применяют как для черновой так и для получистовой обработки предварительно полученных отверстий.
Режимы резания при зенкеровании назначаются так же как и при рассверливании.
В том случае, если зенкерование применяется как получистовая операция,
рекомендуются следующие значения припусков (от 0,5 до 2,0 мм в зависимости
от диаметра зенкера):
Диаметр зенкера,
мм
до 20
21–35
36–45
46–50
51–60
61–80
Припуск на сторону,
мм
0,5
0,75
1
1,25
1,5
1,75–2
При использовании зенкерования для черновой обработки припуски могут быть значительно большими.
171
Развертывание – процесс окончательной обработки отверстия после
зенкерования (реже после сверления) с помощью многозубого режущего инструмента - развертки (рисунок 7.23).
Рисунок 7.23 – Развертка
Процесс развертывания во многом напоминает зенкерование, но имеет
особенности:
 при развертывании снимается весьма малый слой металла (от 0,05 до
0,25 мм);
 развертка имеет большее по сравнению с зенкером число зубьев (до
14), так что на одну режущую кромку приходится чрезвычайно малая толщина
металла.
Все это обеспечивает высокие показатели по точности и чистоте поверхности.
Число зубьев у разверток Z=4–14, причем для удобства измерения делается четное число зубьев, но с неравномерным шагом, чтобы избежать огранки
обрабатываемого отверстия.
Ниже приведены средние значения припусков при чистовом развертывании.
Диаметр
развертки,
мм
Припуск на
сторону,
мм
до 5
6–10
11–15
16–30
31–50
51–60
61–80
0,05
0,075
0,100
0,125
0,150
0,200
0,250
Пример. При ремонте ролика кривошипа 76 мм танковой пушки необходимо обработать отверстие 20Н7 (диаметром 20 мм, 7 квалитет точности) с шероховатостью не выше Rz 6,3 мкм в сплошной заготовке. Анализируя показатели точности и качества поверхности рассмотренных способов обработки отвер172
стий, назначаем последовательность обработки: сверление, зенкерование, развертывание.
Припуск на развертывание примем равным 0,125 мм на сторону (на диаметр 0,25 мм), на зенкерование – 0,5 мм (на диаметр 1,0 мм). Тогда диаметр
зенкера нужно взять 20–0,25 = 19,75 мм; сверла 19,75–1 = 18,75 мм.
Итак, порядок обработки следующий: сверление диаметром 18,75 мм;
зенкерование диаметром 19,75 мм; развертывание диаметром 20Н7.
Таким образом, зенкерование и развертывание применяются для более
качественной (по сравнению со сверлением) обработки отверстий, полученных
ранее различными способами. При этом порядок обработки такой: сначала
сверление (если не было отверстия), затем зенкерование и, наконец, развертывание. После каждой операции (кроме последней) оставляют припуск определенной величины для последующей операции.
7.7 Фрезерование и протягивание
Сущность и особенности процесса фрезерования
Фрезерование – процесс обработки резанием с помощью многозубого режущего инструмента – фрезы.
Фрезерование является одним из высокопроизводительных и распространенных методов обработки металлов резанием. Фрезерование применяют для
получения плоскостей, пазов, уступов, фасонных поверхностей, резьб, зубьев,
шлицев и т. д.
Оно осуществляется при помощи инструмента, называемого фрезой. Фреза – многолезвийный инструмент, представляющий собой тело вращения, на
образующей поверхности или на торце которого имеются режущие зубья.
В зависимости от конструкции инструмента различают два основных вида фрезерования: цилиндрическое и торцевое (рисунок 7.24).
173
Рисунок 7.24 – Виды фрезерования:
а – цилиндрическое; б – торцевое
При цилиндрическом фрезеровании плоскостей ось фрезы параллельна
обрабатываемой поверхности; работа производится зубьями, расположенными
на цилиндрической поверхности фрезы.
При торцевом фрезеровании ось фрезы перпендикулярна обработанной
поверхности и работают зубья, расположенные на торцевой и цилиндрической
(на глубину резания) поверхностях фрезы.
Несмотря на многообразие типов фрез и конфигураций обрабатываемых
поверхностей, схема работы любой фрезы будет соответствовать либо цилиндрическому, либо торцевому виду фрезерования.
Фрезерование разделяют на черновое, получистовое и чистовое (или тонкое).
Среднеэкономические показатели точности и шероховатости при фрезеровании следующие: при черновой обработке 12–14 квалитеты, Rz=50–200 мкм;
при получистовой 9–11 квалитеты, Rz=12,5–50 мкм; при чистовой 7–9 квалитеты, Rz=6,3–12,5 мкм.
Процесс фрезерования осуществляется в результате сложения двух движений: главного – вращательного движения фрезы и движения подачи – прямолинейного перемещения заготовки (реже фрезы) в трех направлениях: продольном, поперечном и вертикальном.
Различают два способа фрезерования:
 встречное фрезерование (против подачи) – вращение фрезы и движение подачи направлены навстречу друг другу (рисунок 7.25, а);
 попутное фрезерование (по подаче) – вращение фрезы и движение подачи происходят в одном направлении (рисунок 7.25, б).
174
Рисунок 7.25 – Схемы фрезерования: а – встречного; б – попутного
Встречное фрезерование характеризуется тем, что процесс резания начинается с нулевой толщины срезаемого слоя и заканчивается с максимальной
толщиной, что обеспечивает более плавную работу, чем при попутном фрезеровании. Кроме того, этот способ создает более благоприятные условия при работе с коркой. Однако, фреза стремится оторвать заготовку от стола станка, что
приводит к вибрациям системы СПИД и увеличению шероховатости поверхности. Кроме того скольжение зуба по наклепанной поверхности является причиной повышенного износа инструмента.
Попутное фрезерование обеспечивает более высокие показатели чистоты
и точности обработки и рекомендуется при работе без корки. Уменьшает интенсивность износа зубьев по задним поверхностям, в силу чего стойкость фрезы увеличивается в 2 – 3 раза.
Равномерность фрезерования. Зуб прямозубой фрезы входит в заготовку и выходит из нее сразу по всей ширине. Это приводит к резкому изменению
площади поперечного сечения среза, а, следовательно, и сил, действующих в
процессе резания.
Равномерное фрезерование при определенных условиях можно получить
лишь при работе фрезой с винтовыми зубьями, у которой режущая кромка каждого зуба постепенно входит в заготовку, а затем постепенно выходит из нее,
что создает более спокойную работу, обеспечивающую получение более качественной поверхности.
Полная равномерность фрезерования будет в том случае, когда ширина
фрезерования равна осевому шагу фрезы tо или кратна ему в целых числах, то
есть
B=K·to.
175
Таким образом, коэффициент K может служить показателем равномерности фрезерования. Его можно выразить через геометрические параметры фрезы
K
B  Z  tg
.
 D
Условием равномерного фрезерования является равенство K целому числу.
Особенности процесса стружкообразования при фрезеровании. Процесс стружкообразования при фрезеровании сопровождается теми же явлениями, что и процесс стружкообразования при точении (деформации, тепловыделение, наростообразование, износ инструмента и др.), с аналогичными причинами их возникновения. Однако процесс фрезерования имеет и некоторые особенности.
1. В работе участвуют одновременно несколько лезвий, поэтому процесс
фрезерования является более производительным, чем точение или строгание.
2. Режущие лезвия фрезы работают с перерывом (большую часть оборота
каждый зуб проходит по воздуху), что способствует отводу тепла от лезвия и,
как следствие, повышению стойкости инструмента.
3. Врезание зуба в заготовку сопровождается ударом, что приводит к
снижению стойкости и, в отдельных случаях, к разрушению.
4. Площадь срезаемого слоя может колебаться в широких пределах,
вследствие чего силы резания имеют переменное значение.
Основные типы фрез и их назначение
При фрезеровании применяют фрезы, различаемые по технологическим и
конструктивным признакам. Некоторые основные типы фрез показаны на рисунке 7.26.
Цилиндрические фрезы применяют для обработки открытых поверхностей, параллельных оси фрезы. Ширина фрезы L=B+10 мм, где В – ширина
фрезерования, мм. Фрезы изготовляют с левыми и правыми винтовыми канавками (правые только для работы в комплекте). Для снижения уровня вибраций
режущие кромки цилиндрических фрез выполняют со стружкоразделительными канавками, а угловой шаг зубьев делают неравномерным. Составные цилиндрические фрезы применяют преимущественно для черновой обработки плоскостей.
Торцевые фрезы применяют для обработки открытых (особенно длинных
и широких) плоскостей, перпендикулярных к оси фрезы. Торцевые фрезы отличаются от цилиндрических более плавной работой и большей производительностью.
Для обработки широких уступов, когда требуется в сопряжении получить
прямой угол, применяют сборные торцево-цилиндрические фрезы.
176
Рисунок 7.26 – Основные типы фрез
Концевые или пальцевые фрезы используют при фрезеровании плоскостей, уступов, пазов и криволинейных контуров по разметке и копиру. Концевые фрезы с нормальными зубьями предназначены для обработки сталей и чугунов, а с крупными зубьями - в основном для обработки алюминиевых, магниевых, медных и других цветных сплавов с хорошей обрабатываемостью. Их целесообразно также применять при фрезеровании пазов в вязких сталях, когда
применение других фрез приводит к запрессовке стружки в канавках.
Дисковые фрезы применяют для фрезерования уступов, пазов, лысок,
многогранников и т.п.
Дисковые фрезы, имеющие зубья только на цилиндрической поверхности
(пазовые или односторонние), используют при фрезеровании точных шпоночных канавок и пазов. Особо точные пазы обрабатывают затылованными пазовыми фрезами.
При фрезеровании глубоких и точных пазов применяют трехсторонние
дисковые фрезы.
Двусторонние цельные и сборные дисковые фрезы изготовляют с правым
и левым направлениями стружечной канавки. Цельные насадные двусторонние
фрезы выполняют с криволинейной спинкой.
При обработке глубоких пазов и уступов за один проход на фрезерных
станках недостаточной мощности применяют ступенчатые дисковые фрезы.
Прорезные и отрезные дисковые фрезы (пилы) служат для прорезания
различного рода узких пазов и для разрезки материала.
Угловые фрезы применяются для фрезерования стружечных канавок инструментов, а также скосов. Различают следующие типы угловых фрез: одноуг177
ловые для обработки стружечных канавок затылованных фрез; двухугловые
несимметричные и симметричные; дисковые односторонние (правые и левые);
концевые для пазов типа "ласточкин хвост". Угловые фрезы изготовляют цельными с остроконечными зубьями.
Фасонные фрезы предназначены для фрезерования стандартных фасонных поверхностей (полукруглых, выпуклых, вогнутых), а также стружечных
канавок режущих инструментов. Для серийного производства их изготовляют с
зубьями, затылованными по архимедовой спирали. Фрезы для обработки легких сплавов отличаются малым числом зубьев (двузубые и трехзубые концевые
фрезы, четырех-, восьмизубые торцевые и дисковые фрезы).
Специальные фрезы применяют для резьбо- и зубонарезания (модульные
червячные, модульные дисковые и пальцевые), для фрезерования шлицев и т.п.
Наборы фрез подбирают по профилю и размерам обрабатываемой детали
и закрепляют на одной общей оправке.
По конструкции фрезы бывают: цельные (с мелкими и крупными зубьями); сборные со вставными ножами из быстрорежущей стали и с напаянными
пластинками из твердого сплава, а также насадные, имеющие отверстия для посадки на оправку фрезерного станка и хвостовые, имеющие цилиндрические
или конические хвостовики.
Обработка производится на универсальных станках: горизонтального типа - цилиндрическими, дисковыми и другими фрезами (цилиндрическое фрезерование) и вертикального типа - торцевое фрезерование.
Геометрические параметры цилиндрической фрезы с винтовыми зубьями
показаны на рисунке 7.27.
Рисунок 7.27 – Элементы цилиндрической фрезы с винтовыми зубьями
На этом рисунке:
γ – передний угол в торцевой плоскости,
α – задний угол в торцевой плоскости,
ω – угол наклона стружечной канавки,
D – диаметр фрезы,
178
γn – главный передний угол в плоскости нормальной к главной режущей
кромке (сечение А-А).
Для перехода к переднему углу в торцевой плоскости можно воспользоваться следующей формулой:
tgγn=tgγT ∙ cosω.
Для фрез из быстрорежущей стали величина переднего угла колеблется в
пределах 10 - 200, твердосплавных - от +5 до -100.
Главный задний угол рассматривается в плоскости, нормальной к оси
фрезы. Иногда он задается в сечении нормальной к режущей кромке (угол αn в
сечении А-А).
Для цилиндрической фрезы
tgαТ=tgαn·cosω.
У фрез из быстрорежущей стали задний угол колеблется в пределах 12–
30 (в зависимости от типа фрезы); у торцевых фрез с твердосплавными пластинами αn=6–150; у дисковых фрез αn=20–250 при обработке сталей и 10–150
при обработке чугунов.
Протягивание
0
Протягиванием называется процесс обработки резанием с помощью протяжки – многозубого инструмента, у которого подача заложена в самой конструкции, так как каждый последующий зуб выше предыдущего (рисунок 7.28).
Протягивание осуществляется с помощью одного движения – прямолинейного
перемещения инструмента.
Рисунок 7.28 – Схема резания протяжкой:
1, 2 – режущие; 3 – калибрующие зубья
179
Протягиванием можно обрабатывать сквозные отверстия любой формы
(круглые, шлицевые, квадратные, эвольвентные и т.д.), прямые и винтовые канавки (например, шпоночные, винтовые нарезы в канале полых деталей и т.п.),
а также наружные поверхности разнообразной формы, зубчатые колеса внутреннего и наружного зацепления.
Протягивание обеспечивает очень высокую производительность, высокую точность (9–7 квалитет) и чистоту поверхности (до Rа=0,32–0,16 мкм).
Схема работы круглой протяжки показана на рисунке 7.29.
Рисунок 7.29 – Схема работы круглой протяжки
Протяжка состоит из следующих основных частей:
 хвостовик 1 служит для закрепления протяжки в патроне протяжного
станка;
 передняя направляющая часть 2 предназначена для направления протяжки в начале ее работы по предварительно обработанному отверстию;
 режущая часть 3, на которой расположены зубья, срезающие основной
припуск;
 калибрующая часть 4, на которой расположены зубья, калибрующие
отверстие и обеспечивающие необходимую точность и шероховатость поверхности;
 задняя направляющая часть 5, служащая для удержания протяжки от
провисания и перекоса в конце процесса протягивания (в момент выхода последнего зуба).
Число режущих зубьев определяется соотношением припуска на обработку и подачей на зуб. Подача на зуб принимается в пределах 0,02–0,2 мм в зависимости от обрабатываемого материала, типа протяжки, требований к качеству
и т.п.
Значения переднего и заднего углов выбираются в зависимости от вида
операции (черновая или чистовая) и типа протяжки. Так для круглого протягивания стали α=30, γ=16–180 (для режущих зубьев) и α=10, γ=50 (для калибрую180
щих зубьев). Малое значение заднего угла объясняется тем, что при больших
значениях α переточка по передней поверхности вызовет значительное изменение размера протяжки.
Число калибрующих зубьев обычно выбирается от 3 до 8, большее значение – для обработки более точных отверстий. Калибрующие зубья фактически
не режут, а зачищают (калибруют); на них делается цилиндрическая ленточка
шириной f=0,05–0,2 мм.
Для облегчения резания на режущих зубьях протяжки делаются стружкоразделительные канавки (для деления широкой стружки на отдельные части).
Эти канавки размещаются в шахматном порядке, их число можно выбрать по
следующим данным:
Диаметр протяжки, мм
10–13
13–16
16–20
20–25
Количество канавок
6
8
10
12
Зубья калибрующей части канавок не имеют.
Выбор режима резания при протягивании сводится к назначению скорости резания, так как подача и ширина среза обусловлены конструкцией протяжки.
При протягивании применяют низкие скорости резания (1–12 м/мин) для
того, чтобы повысить стойкость очень дорогого инструмента. Увеличение скорости не дает заметного увеличения производительности труда, так как вспомогательное время значительно превышает машинное.
Формула скорости имеет следующий вид:
V 
Cv
Т m S
YZ
, м/мин.
Период стойкости для быстрорежущих протяжек выбирается в пределах
от 180 до 420 мин, в зависимости от их сложности.
Усилие протягивания определяется по формуле (для круглых протяжек):
PZ  C Z  S ZX Z    D  Z i , кг,
где D – диаметр готового отверстия;
Zi – число одновременно работающих зубьев.
Мощность, необходимая на резание:
PZ  V
NЭ 
, кВт.
75  60  1,36
Мощность двигателя протяжного станка:
N
N дв  э , кВт.

Рассмотренные технологические процессы обработки металлов, металлических сплавов и различных конструкционных материалов резанием находят
широкое применение в промышленности и народном хозяйстве.
181
7.8 Шлифование металлов
Сущность и особенности процесса
Шлифование – процесс резания при помощи инструмента, режущим элементом которого являются зерна абразивного материала. Абразив (от латинского "абразио" – соскабливание)- мелкозернистое или порошкообразное вещество
высокой твердости, износостойкости и теплостойкости (до 20500С).
Эти зерна (порошки) соединены специальными связующими веществами
в тела определенной формы: круги, бруски, шкурки, головки и т.п. Применяют
также пасты и порошки.
Абразивный инструмент позволяет обрабатывать материалы любой твердости (закаленные стали, стекла, керамику, твердые сплавы и т.п.) с высокой
точностью и качеством поверхности, а также осуществлять заточку всевозможного режущего инструмента.
Сущность процесса показана на рисунке 7.30. Выступающие зерна абразивного материала, прочно закрепленные в шлифовальном круге связующим
(цементирующим) веществом, при вращении круга с большой скоростью (до 90
м/с) срезают (соскабливают) слой металла в виде очень мелкой стружки.
Большое число стружек (до сотни миллионов в минуту) и их малая толщина (несколько микрометров) обуславливаются малым размером самих режущих зерен и большим их количеством, одновременно участвующих в срезании (царапании) материала.
Рисунок 7.30 – Схема абразивной обработки
Вследствие малого сечения среза и большой скорости резания абразивная
обработка обеспечивает исключительно высокую точность и качество поверхности. Чем дисперснее зерна — тем выше качество обработки.
Процесс стружкообразования при шлифовании больше всего приближается к резанию, осуществляемому зубом фрезы. Несмотря на малые размеры
срезаемого слоя, получаемая при шлифовании стружка имеет то же строение и
вид, что и стружка, получаемая при фрезеровании. Здесь также имеют место
182
упругое и пластическое деформирование, тепловыделение, упрочнение, износ и
др. Однако, процесс резания металлов шлифованием, кроме общих закономерностей, имеет свои особенности, из которых можно выделить следующие:
1. Высокая скорость резания. При обычном шлифовании скорость резания составляет 30–35 м/с, а при скоростном 90 м/с и более. Это в десятки раз
превышает скорость резания при токарной обработке. Процесс снятия стружки
абразивным зерном осуществляется примерно за 10-4–10-5 секунд, то есть практически мгновенно.
2. Сильное размельчение и своеобразный характер снимаемой стружки.
Число абразивных зерен, расположенных на периферии шлифовального круга,
очень велико, оно измеряется на кругах средних размеров десятками и сотнями
тысяч штук. Поэтому при шлифовании стружка снимается огромным числом
беспорядочно расположенных режущих зерен, к тому же неправильной формы,
что приводит к очень сильному размельчению стружки и вызывает большой
расход энергии. Затрата энергии на единицу объема снимаемого материала при
шлифовании в 5–10 раз больше, чем при обработке лезвийным инструментом,
поэтому на абразивную обработку целесообразно оставлять малый припуск.
3. Невыгодная геометрия режущих зерен шлифовального круга. Если при
работе с лезвийными инструментами их режущей части можно придать наивыгоднейшую геометрию, то с зернами шлифовального круга этого сделать нельзя. Абразивные зерна в подавляющем большинстве имеют отрицательные углы
резания.
4. Самозатачивание шлифовального круга. Под действием повышенной
нагрузки затупленное зерно может расколоться или выкрошиться из связки, обнажив новые острые зерна, которые и будут продолжать резание.
5. Очень высокая температура при шлифовании (до 1500 0С и выше) возникает в результате невыгодной геометрии режущей части зерен и большой
скорости резания. Из-за плохой теплопроводности круга почти все тепло переходит в деталь и стружку (часть стружки даже сгорает). Это вызывает прижоги
на детали, структурные изменения, деформации. Поэтому шлифование проводят при обильном охлаждении (кроме чугуна).
Характеристика применяемого инструмента
Режущий инструмент, применяемый для шлифования (и другой абразивной обработки) характеризуется: видом абразива, зернистостью, видом связки,
твердостью инструмента, его формой и др.
а) Абразивные материалы делятся на следующие:
Электрокорунды состоят из оксида алюминия Al2O3 (92–99,7%) и примесей. В зависимости от химического состава различают:
 электрокорунд нормальный, получаемый электролизом из бокситов,
его разновидности 12А, 13А(92% Al2O3), 14А (93%), 15А, 16А;
 электрокорунд белый, выплавляемый из глинозема: 22А, 23А, 24А,
25А;
183
 электрокорунд хромистый (технический рубин) марок 32А, 33А, 34А;
 электрокорунд титанистый (технический сапфир) 37А. Оксиды хрома
и титана упрочняют решетку оксида алюминия и одновременно придают зерну
высокую вязкость;
 монокорунд 43А, 44А и 45А особенно эффективен при обработке жаропрочных сталей. Получается по особой технологии с выделением монокристаллов корунда (каждая частица — монокристалл, в отличие от предыдущих).
Карбид кремния содержит 97–99% SiC и получается из кокса и кварцевого песка в электропечах.
Карбид кремния черный 52С, 53С, 54С и 55С и карбид кремния зеленый
62С, 63С и 64С очень ценные абразивные материалы, так как обладают самой
высокой теплостойкостью (20500С), исключительно высокой твердостью (уступает только алмазу, эльбору и карбиду бора), высокой абразивной способностью (зерна имеют острые грани).
Алмазы: естественный (А) и синтетические (АС) марок АСО, АСР, АСВ,
АСК, АСС обладают самой высокой твердостью, но сравнительно невысокой
теплостойкостью. Использование их для обработки сталей и чугунов нецелесообразно, так как при 7500С алмаз (углерод) растворяется в железе. Применяют
алмазы для точной обработки деталей из цветных сплавов, пластмасс, полупроводников, твердых сплавов, керамики, стекла и т.п.
Эльбор (кубический нитрид бора КНБ) получается по той же технологии,
что и синтетический алмаз. Практически не уступает алмазу по твердости, но
превосходит его по теплостойкости (15000С), абсолютно нейтрален по отношению к железу.
б) Зернистость абразивных материалов.
Абразивные материалы дробятся в шаровых мельницах, после чего рассеиванием на ситах сортируются (классифицируются) по размерам. Размеры
зерен колеблются от 3,5 до 2500 мкм. В зависимости от размера зерна ГОСТ
3647-81 устанавливает следующие их номера (зернистость):
Шлифзерно
200, 160, 125, 100, 80, 60, 50, 40, 32, 25, 20, 16.
Шлифпорошки
12, 10, 8, 6, 5, 4.
Микропорошки
М63, М50, М40, М28, М20, М14, М10, М7, М5.
Цифра, обозначающая номер зернистости, показывает размер зерна и
шлифпорошка в сотых долях миллиметра, а микропорошка - в микрометрах.
в) Однородность зернового состава (индекс зернистости) - процентное
содержание основной фракции.
Обозначается буквой (дополнительно к зернистости):
В – 55, 60%
(высокая),
П – 45, 50, 55%
(повышенная),
Н – 40, 43, 45%
(нормальная),
Д – 36, 37, 39, 41, 42% (допустимая).
г) Связки.
Для соединения зерен в одно целое применяют связующие (цементирующие) вещества, так называемые связки. От связки зависит прочность удержания
184
зерна в круге и прочность самого круга, при вращении которого возникают
большие центробежные силы. Наибольшее применение нашли:
 керамическая связка (К), состоящая из огнеупорной глины, полевого
шпата, кварца, мела, талька, имеет наибольшую пористость и поэтому меньше
засаливается, водоупорна, допускает применение охлаждения. Недостаток –
хрупкость. Наиболее распространена. Марки: К0, К1, К3, К5, К7, К8;
 силикатная связка (С) изготавливается из жидкого стекла с оксидом
цинка, мелом, глиной и пр. Не допускает применения охлаждения;
 бакелитовая связка (Б) на основе фенолоформальдегидной смолы (бакелита). Обеспечивает очень высокую прочность, но при температурах более
3000С начинает выгорать. Чаще всего применяется в кругах для резки (толщиной от 0,5 мм). Охлаждающая жидкость не должна содержать щелочи. Марки:
Б, Б1, Б2, Б3, Б4;
 вулканитовая связка состоит из синтетического каучука, обладает
максимальной упругостью, применяется для абразивной прорезки и для ведущих кругов (В, В1, В2, В3);
 глифталевая ГФ.
Кроме того применяются металлическая (для алмазных кругов), магнезиальная и некоторые другие.
д) Твердость абразивного инструмента.
Под твердостью абразивного инструмента понимается способность удерживать зерно в круге при воздействии на него внешних усилий. Твердость —
важная характеристика абразивного инструмента. Слишком твердый круг будет
давать прижоги и требовать частой правки, так как затупившиеся зерна не будут выкрашиваться (самозатачиваться). Слишком мягкий круг будет осыпаться,
то есть быстро менять форму и размеры. Поэтому для каждого конкретного
случая требуется инструмент определенной твердости.
На выбор твердости шлифовального круга оказывает влияние самозатачивание круга в процессе шлифования. Поэтому, чем тверже обрабатываемый
металл, тем мягче должен быть круг и наоборот (при прочих равных условиях).
ГОСТ 3151-81 устанавливает стандартную шкалу твердости:
Мягкий
- М1, М2, М3;
среднемягкий
- СМ1, СМ2;
средний
- С1, С2;
среднетвердый
- СТ1, СТ2, СТ3;
твердый
- Т1, Т2;
весьма твердый
- ВТ1, ВТ2;
чрезвычайно твердый
- ЧТ1, ЧТ2.
е) Структура шлифовального круга.
Под структурой понимают соотношение зерен, связки и пор в единице
объема. Установлено восемнадцать номеров структуры:
185
Номер
0 1 2 3
4
5 6 7
8
9
10 11 12
структуры
Объем
62 60 58 56 54 52 50 48 46 44 42 40 38
зерен, %
Номера 0–3 имеют плотную структуру, 4–8 – среднюю, 9–12 – открытую.
Структуры номеров 13–18 (высокопористые) применяют для обработки мягких
и вязких материалов (медь, алюминий, резина, дерево и т.п.).
ж) Форма шлифовальных кругов.
По ГОСТ 2424-81 предусматривается 22 профиля кругов диаметром от 3
до 1100 мм, с диаметрами отверстий от 1 до 305 мм. Наиболее распространенными являются круги (рисунок 7.31):
 прямого плоского профиля ПП;
 плоские с выточкой ПВ, с двойной выточкой ПВД;
 чашечные цилиндрические ЧЦ;
 чашечные конические ЧК;
 плоский с двухсторонним коническим профилем 2П;
 тарельчатые 1Т, 2Т, 3Т;
 кольцевые К;
 дисковые Д и другие.
Рисунок 7.31 – Форма шлифовальных кругов
186
з) Класс точности круга (допуски на погрешность формы и размеров):
АА – точный (прецизионный);
А – нормальный;
Б – грубый.
и) Класс дисбаланса (неуравновешенность массы): первый, второй, третий, четвертый.
Основные характеристики круга (на кругах диаметром больше 40 мм)
наносятся несмываемой краской на его поверхность в виде условных обозначений.
Пример. Маркировка 24А 40 СМ2 К5 5 ПП 600×20×305 35 м/с означает:
круг изготовлен из электрокорунда белого, имеет зернистость № 40 (размер зерен 0,40 мм), среднемягкий второй, связка керамическая, структура № 5, профиль – прямой плоский с размерами: 600 мм (наружный диаметр), 20 мм (ширина), 305 мм (диаметр отверстия), допускаемая скорость резания до 35 м/с.
Основные виды абразивной обработки
Область применения процесса шлифования весьма широка. Шлифованием выполняют:
 точную чистовую обработку деталей (отделочные или финишные операции);
 обработку (в том числе и черновую) твердых и сверхтвердых материалов (закаленных сталей, твердых сплавов, керамики, стекла и т.п.);
 заточку всевозможного инструмента.
Для осуществления процесса шлифования необходимо, чтобы деталь и абразивный инструмент имели соответствующие относительные движения.
Основными видами шлифования являются: круглое наружное; круглое внутреннее; плоское; бесцентровое; специальное (резьбо-, зубо-, шлицешлифование
и др.); отделочное или финишное (полирование, хонингование, доводка, притирка, суперфиниширование).
Наружное круглое шлифование производится, как правило, в центрах шлифовального станка; оно предназначено для обработки цилиндрических, а также
конических и фасонных наружных поверхностей. Имеется три основных способа такого вида шлифования: шлифование с продольной подачей; глубинное
шлифование; с поперечной подачей (врезанием).
Шлифование с продольной подачей (рисунок 7.32, а) осуществляется быстрым
вращением круга 1, сравнительно медленным встречным вращением детали 2,
продольной подачей детали и поперечной подачей круга.
Шлифование с поперечной подачей методом врезания (рисунок 7.32, б) является
высокопроизводительным и применяется при обработке жестких деталей небольшой длины, а также при фасонном шлифовании. Ширина круга перекрывает длину шлифуемой поверхности. Деталь только вращается, а круг вращается
и одновременно перемещается в поперечном направлении с подачей Sп=0,01–
0,05 мм/об.
187
Глубинный метод шлифования заключается в работе с большими глубинами резания (рисунок 7.32, в). Весь припуск снимается за один-два продольных хода с небольшой подачей (S=1–6 мм/об). Круг имеет конусный участок
шириной в 10–15 мм под углом α=2–50. Чем меньше α, тем больше поверхность
контакта круга с деталью, тем лучше условия работы круга, но больше радиальные силы. Конусная часть выполняет основную работу шлифования, а цилиндрическая – зачищает поверхность; этим обеспечиваются высокая производительность и качество обработки.
Рассмотрим элементы режима резания при наружном круглом шлифовании с продольной подачей (см. рисунок 7.32, а):
а) Глубина резания (поперечная подача) измеряется в направлении перпендикулярном к обработанной поверхности и представляет слой металла, снимаемый за один продольный ход:
t
Dd
, мм.
2
При черновом шлифовании t=0,01–0,025 мм, при чистовом t=0,005–0,008
мм. Чем меньше глубина резания, а также продольная и круговая подачи, тем
чище получается поверхность детали. Поэтому в конце обработки рекомендуется совершить несколько продольных ходов без поперечной подачи (процесс
"выхаживания").
Рисунок 7.32 – Схемы наружного круглого шлифования
б) Продольная подача Sп – величина относительного перемещения круга и заготовки вдоль ее оси за один оборот заготовки. Обычно Sn задается в долях шири188
ны круга. Для предварительного шлифования Sn=(0,3–0,8)В, мм/об заготовки,
для чистовой обработки Sn=(0,2–0,4)В, мм/об.
в) Скорость вращения детали (круговая подача) обычно составляет 1–2% от
скорости вращения круга, то есть
VИ  (0,01  0,02)  VК .
г) Скорость резания измеряется в м/с и подсчитывается по формуле:
V рез 
  VК  n К
, м/с.
1000  60
Частоту вращения круга nK выгодно брать всегда возможно большей, что
ограничивается, однако, прочностью круга. Для кругов на обычной керамической связке допустимая скорость составляет VК=35 м/с, на бакелитовой связке –
до 40 м/с. .Круги на специальных керамических связках дают возможность работать со скоростью 50 м/с, а при скоростном шлифовании - до 90 м/с.
Внутреннее круглое шлифование (рисунок 7.33) предназначено для обработки цилиндрических и конических отверстий, а также торцевых поверхностей. Шлифуемые заготовки закрепляются в патроне шлифовального станка.
Заготовка получает вращательное движение VИ (круговая подача), круг – вращательное движение VК, продольную подачу S и периодическую радиальную
подачу St (на врезание).
Рисунок 7.33 – Внутреннее круглое шлифование
Шлифовальный круг и заготовка вращаются обычно в разные стороны.
Для получения необходимой скорости круга диаметр его должен быть возможно большим, поэтому рекомендуется DK=(0,6–0,9)D, где DК – диаметр круга, D
– диаметр обрабатываемого отверстия.
Плоское шлифование применяется для обработки плоскостей и может
производиться периферией (рисунок 7.34, а) или торцем круга (рисунок 7.34, б).
189
Шлифование торцем круга является более производительным, так как одновременно обрабатывается более широкая поверхность.
Бесцентровое шлифование применяется для обработки, как наружных,
так и внутренних поверхностей вращения; оно может осуществляться двумя
способами: на проход и врезанием.
Рассмотрим схему бесцентрового наружного шлифования на проход (рисунок 7.34, в), которое применяется для шлифования длинных цилиндрических
заготовок в случае невозможности обработки их в центрах.
Рисунок 7.34 – Схемы плоского и бесцентрового шлифования
Заготовку 1 устанавливают на опорный нож 2 между двумя кругами, из
которых один - шлифующий 3 производит обработку детали, а другой - ведущий (направляющий) 4 осуществляет вращение детали (круговую подачу) и ее
продольное перемещение. Ведущий круг делается на вулканитовой связке, что
повышает его сцепляемость; скорость его вращения 20–50 м/мин Шлифующий
круг вращается в 75–80 раз быстрее (до 50 м/с), что обеспечивает его проскальзывание относительно заготовки и шлифование последней. Скорость вращения
заготовки примерно равна скорости ведущего круга:
V Д  VВ.К . .
Для создания продольной подачи ведущий круг поворачивается относительно шлифовального на угол α=1–60. Величина подачи определяется как
S n  VB.K .  sin  .
Для того, чтобы обеспечить контакт ведущего круга со шлифуемой поверхностью по линии, ведущий круг заправляют алмазом по форме однополостного гиперболоида вращения.
190
Заточка режущего инструмента производится как на специализированных, так и на ручных (простейших) заточных станках. Качество заточки инструмента существенно влияет на его стойкость и качество обработанной детали. Чистота поверхности режущих кромок должна быть выше, чем у детали по
чертежу, поэтому после заточки рекомендуется провести доводку поверхностей
режущего инструмента.
Инструмент, изготовленный из стали (углеродистой, быстрорежущей) затачивают шлифовальными кругами из электрокорунда белого (22А - 25А) на
керамической связке (К) зернистостью 80–50 (предварительная обработка) или
40–25 (окончательная обработка) со скоростями резания 20–45 м/с. Желательно
обильное охлаждение.
Твердосплавный и минералокерамическй инструмент рекомендуется затачивать на кругах из карбида кремния зеленого (62С–64С) на керамической
(К) или бакелитовой (Б) связке зернистостью 40–25 (предварительно) и 20–12
(окончательно). Заточка должна проводиться либо с непрерывным охлаждением, либо вовсе без него. Категорически запрещается прерывать охлаждение
(или окунать в воду нагретый инструмент), так как эти материалы обладают повышенной чувствительностью к термическим деформациям.
Доводка заточенного инструмента производится на чугунных дисках с
применением пасты ГОИ или алмазных кругах на металлической или бакелитовой связках. В ремонтных условиях практикуют также ручную доводку резцов
мелкозернистыми брусками.
Финишные (отделочные) способы обработки материалов приобретают
все большее значение, поскольку обеспечивают исключительно высокую точность и качество поверхностей деталей. К ним относятся: тонкое шлифование,
полирование, хонингование, суперфиниширование, притирка, доводка.
Тонкое шлифование применяют для получения особо высокой точности и
низкой шероховатости цилиндрических и плоских деталей. Тонкое шлифование
выполняют на станках высокой и особо высокой точности с повышенной жесткостью конструкции; при этом достигается точность размеров выше 5–6 квалитетов, отклонение формы (некруглость, овальность, огранка, нецилиндричность) в пределах 0,3–0,5 мкм, шероховатость в пределах Rа=0,025–0,040 мкм.
Лучшие результаты по производительности, точности и шероховатости
поверхности дает тонкое шлифование алмазными абразивными кругами.
Ленточное шлифование – процесс шлифования лентами на бумажной или
тканевой основе, покрытыми абразивными зернами. На основу ленты наносят
абразивный слой толщиной до 3 мм, который соединяется с основой посредством специального клея или синтетических смол. Зернистость абразива зависит от вида шлифования: при грубом шлифовании 8 – 16, при отделочном от 12
до 3. При зернистости 16 – 10 можно получить поверхность до RZ = 1.25–0.8
мкм, при зернистости 5 получают до RZ = 0,32 – 0,2 мкм, а при зернистости 3 до
RZ = 0,16–0,1 мкм. Величина снимаемого слоя при ленточном шлифовании может доходить до 0,75–1,5 мм. В качестве смазывающе-охлаждающих жидкостей
применяют 2,5–5 % раствор эмульсола.
191
Ленточное шлифование применяют для отделки фасонных деталей, прутков и труб, для доводки твердосплавных инструментов, фильер и т.п.
Этот метод обработки обеспечивает высокую производительность и качество обработанной поверхности.
Полирование – процесс абразивной обработки деталей для придания им
высокой отражательной способности (зеркального блеска). Применяется для
декоративной отделки, а также для подготовки деталей вооружения перед нанесением защитных (от коррозии) покрытий (хромирование, никелирование, анодирование и т.п.). У артиллерийских орудий полируют контрольные площадки,
рукоятки маховиков и др. Погрешности формы и размеров при этом не исправляются.
Полирование заключается в обработке поверхности эластичным инструментом (из войлока, фетра, резины, кожи), покрытым абразивным материалом.
В качестве полирующего материала применяют шлифпорошки зернистостью 8,
6, 5, 3; микропорошки М14, М10, М7, а также мел, оксид хрома, пемзу, венскую
известь и др. Полирующие материалы входят в состав паст, в которых используются связующие вещества: воск, стеарин, парафин, керосин, масла и т.п.
Наиболее широко при ремонте вооружения применяется паста ГОИ (разработана Государственным оптическим институтом) трех сортов: грубая (темнозеленого, почти черного цвета); средняя (темно-зеленого цвета) и тонкая (светло-зеленого цвета). После обработки тонкой пастой поверхности приобретают
зеркальный блеск.
Полирование производится на станках простейшей конструкции (по типу
заточных). Инструмент для полирования можно закрепить в патроне токарного
или сверлильного станка. Обрабатываемую деталь устанавливают в приспособление или удерживают в руках. Рекомендуемые значения скоростей обработки:
30 - 35 м/с для сталей и чугунов, 18–25 м/с для цветных сплавов.
Хонингование - процесс обработки мелкозернистыми абразивными брусками предварительно расточенного или развернутого отверстия. От внутреннего шлифования он отличается конструкцией инструмента и траекторией его
движения относительно обработанной поверхности. Режущий инструмент – хон
представляет собой устройство, несущее абразивные бруски (рисунок 7.35, а).
Он совершает вращательное и возвратно-поступательное движения, так что
каждое абразивное зерно брусков образует на обрабатываемой поверхности
риску по винтовой линии (правого направления при движении хона вверх и левого – при движении вниз). Высокое качество обработки обеспечивается несовпадением собственной траектории каждого режущего зерна.
Хонингование один из немногих процессов, устраняющих погрешность
формы отверстия (овальность, некруглость и т.п.). Этим способом обрабатывают каналы орудийных стволов, ПОУ, цилиндры двигателей внутреннего сгорания, гидросистем и другие точные отверстия. При этом достигаются значительно более высокая производительность и качество обработки, чем при внутреннем шлифовании.
192
Окружная скорость хона VO=20–75 м/мин, поступательная – VП=5–20
м/мин. Припуск на хонингование оставляют 0,02–0,2 мм. Для обработки стальных деталей применяют алмазные или абразивные (22А–26А) бруски, для чугунных – алмазные или из карбида кремния зеленого (62С–64С); связка бакелитовая; зернистость 6–4 для предварительного и М28–М20 для окончательного
хонингования.
Рисунок 7.35 – Хонингование (а) и суперфиниш (б)
Суперфиниш – процесс сверхтонкой отделки наружных (реже внутренних) поверхностей мелкозернистыми абразивными или алмазными брусками,
укрепленными в специальной головке. Отличительными особенностями этого
процесса являются: весьма малое давление режущего инструмента на поверхность детали (0,05–2,5 кг/см2); небольшая скорость резания; сложность траектории движения режущих зерен по поверхности обработки. Такие условия резания обеспечивают исключительно низкую шероховатость поверхности, не
исправляя погрешности формы. Припуск на суперфиниширование не оставляют, так как снимаемый слой настолько мал, что размер детали не выходит из
поля допуска предшествующей операции.
Заготовка совершает (рисунок 7.35, б) вращательное движение со скоростью V=2,5–10 м/мин, бруски – быстрое осциллирующее движение с амплитудой h=2–6 мм и частотой 200–1000 Гц, а также медленное поступательное движение подачи S вдоль детали. Такое сложное движение брусков обеспечивает
несовпадение собственных траекторий режущих абразивных зерен. Процесс
ведется с обильным поливом СОЖ (смесь керосина с маслом).
Бруски – из электрокорунда, связка бакелитовая или особая, зернистость
М20 – М14, твердость М1 – М3 для закаленной и М3 – СМ2 для незакаленной
стали.
193
Суперфиниширование применяют при обработке беговых дорожек шариковых и роликовых подшипников, шеек коленвалов, поршневых пальцев, деталей металлорежущих станков, измерительного инструмента и др.
Притиркой называется обработка поверхностей деталей посредством
очень мелких зерен абразивного материала или паст, при которой снимается
тончайший слой металла – до 0,02 мм.
Целью притирки является получение плотного, или герметичного, разъемного и подвижного соединений. Притирке подвергают клапаны, краны, золотники и другие детали. Точность притирки обычно составляет от 0,001 до
0,002 мм.
Притирку выполняют специальным инструментом – притиром, форма
которого должна соответствовать форме притираемой поверхности. По форме
притиры делятся на плоские, цилиндрические, резьбовые и специальные.
Плоские притиры представляют собой чугунные плиты, на которых доводят плоскости. Цилиндрические притиры применяются для притирки цилиндрических отверстий. Специальные притиры применяют для притирки поверхностей различной формы.
Арматура, пробки к корпусам кранов, клапаны к седлам специальных
притиров не требуют. Сопрягаемые детали притирают одну к другой.
Для производительной и точной притирки необходимо правильно выбирать и строго дозировать количество абразивных материалов, а также смазки.
Обрабатываемые поверхности смазывают маслом или другой жидкостью
и посыпают шлифпорошком, затем приводят эти поверхности в соприкосновение и начинают перемещать одну по другой с легким нажимом.
Для проверки плотности прилегания обработанных поверхностей их вытирают досуха, и на поверхности одной из них проводят мелом продольную
черту. После этого снова приводят в соприкосновение обе поверхности и поворачивают вправо и влево ту деталь, на которой нанесена меловая черта. Если
мел окажется стертым равномерно по всей длине, это означает, что поверхности притерты достаточно плотно, если же меловая черта будет стерта только в
отдельных местах, это значит, что детали прилегают еще недостаточно плотно
и притирку необходимо продолжить.
Для окончательной доводки вместо порошков применяют пасту ГОИ.
Правильно и хорошо обработанные поверхности после притирки имеют
ровную блестящую или матовую поверхность.
Если сравнить полученную шероховатость поверхности в процессе отделочной обработки разными способами, то получим следующие данные: шлифование RZ = 0,9–5,0; хонингование RZ = 0,13–1,25; притирка RZ = 0,08–0,25 и суперфиниширование RZ = 0,01–0,25 мкм.
194
8 ТЕХНОЛОГИИ СВЕРХПЛАСТИЧНОСТИ МАТЕРИАЛОВ
8.1 Основные понятия, признаки и количественные оценки
сверхпластичности
Сверхпластичность в настоящее время принято определять, как способность материалов деформироваться при растяжении до чрезвычайно высоких
степеней деформации, демонстрируя при этом сильную зависимость напряжения течения от скорости деформации, что является характерным признаком течения вязких металлов и их актуальностью и широким применением [4].
Согласно М.В. Грабскому, сверхпластичностью называют способность
материалов к большим деформациям без нарушения внутренней сплошности,
проявляющуюся при высоких гомологических температурах под влиянием
напряжений, величина которых очень низкая и сильно зависит от скорости деформации.
А.А. Бочвар считает, что сверхпластичность – особое состояние, в котором сплав, состоящий из двух или более компонентов, проявляет при определённых температурно-скоростных условиях деформации гораздо большую пластичность, чем каждый из его компонентов.
На основе результатов, полученных А.А. Бочваром и З.А. Свидерской, а
также на основе собственных экспериментов Г.В. Старикова сформулировала
основные признаки эффекта сверхпластичности у металлических сплавов при
испытаниях на растяжение:
 очень высокие показатели удлинения,
 отсутствие ярко выраженной зоны локализации деформации на образцах (шейки),
 заметное снижение при этом сопротивления деформации.
Различают четыре основных вида сверхпластичности металлических материалов:
1) структурная сверхпластичность металла и сплава, обусловлена ультрамелкозернистой структурой при отсутствии фазовых превращений в твёрдом состоянии;
2) субкритическая сверхпластичность, возникающая вблизи температуры
диффузионного фазового (полиморфного) превращения материала в твёрдом
195
состоянии. Она наблюдается как в изотермических условиях, так и при термоциклировании около температур фазового превращения и, как правило, слабо
зависит от размеров исходного матричного зерна;
3) мартенситная сверхпластичность, появляющаяся в интервале температур бездиффузионного (мартенситного) превращения;
4) кластерная сверхпластичность, проявляющаяся в металлических сплавах с тонкодисперсными, ультрадисперсными, наноаморфными и наноструктурами.
К первому типу относится сверхпластичность, наблюдаемая при деформировании двух- и многофазных сплавов и неполиморфных металлов при постоянной гомологической температуре Тгом = Т/Тпл в интервале 0,50…0,85, где
Тпл – температура плавления (рисунок 8.1). Необходимым условием этого типа
сверхпластичности является ультрамелкозернистая структура (размеры структурных составляющих до 10 мкм).
Второй и третий типы характерны для полиморфных металлов или сплавов, претерпевающих фазовые превращения в твердом состоянии вблизи температуры диффузионного (полиморфного) превращения в изотермических
условиях, или при термоциклировании (второй тип сверхпластичности), или в
интервале температур бездиффузионного (мартенситного) фазового превращения (третий тип сверхпластичности).
Четвертый тип сверхпластичности проявляется в сплавах с аморфной
структурой, получаемых методами сверхбыстрой закалки из жидкого состояния, при их последующей деформации в интервале между температурами стеклования Тс и кристаллизации Тк, когда происходит снижение их вязкости на несколько порядков.
196
Мн Мд
С0 t
ьтсончитсалпхревс яанруткуртС
(а
С0 t
ьтсончитсалпхревс яантиснетраМ
(б
ьтсончитсалП
ьтсончитсалП
ьтсончитсалП
ьтсончитсалП
Т 4,0лп
   
С0 t
ьтсончитсалпхревс яаксечитиркбуС
(в
Ттс
Трк С0 t
ьтсончитсалпхревс яанретсалК
(г
Рисунок 8.1 – Схемы видов сверхпластичности:
а – структурной; б – мартенситной; в – субкритической; г – кластерной,
сплошные линии – обычное состояние (ожидаемая пластичность),
пунктирные – состояние сверхпластичности [4]
Наиболее исследованной является структурная сверхпластичность, которая проявляется в материалах при определенных термомеханических параметрах деформации. Основными факторами, влияющими на эффект структурной сверхпластичности, являются температура, скорость деформации, структура (параметры, характеризующие размеры структурных и фазовых составляющих) и схема напряженного состояния (параметры, связанные с инвариантами
напряжений) [4].
Критериальные условия состояния сверхпластичности формулируются
для следующих величин: характеристики пластичности материала, сопротивления деформации и коэффициента m.
(8.1)
m = d lg /d lg ė.
На основе систематизированных экспериментальных данных можно
197
утверждать, что совокупность критериальных значений этих величин определяет состояние сверхпластичности. Граничное значение коэффициента m = 0,3
определяет переход материала в сверхпластичном состоянии.
Для более полной оценки эффекта СП можно использовать следующий
комплекс критериев:
- тип сверхпластичности материала;
- характеристика микроструктурного агрегата (чистый металл или одно-,
двух- или многофазный сплав; размер зерна; объемное соотношение фаз и т.п.);
- ресурс деформационной способности, достигаемый при заданной схеме
напряженного состояния;
- действующие напряжения (истинные, условные, напряжения разрушения) в заданных температурно-скоростных условиях;
- чувствительность сопротивления деформации к изменению скорости
деформации (коэффициент m);
- показатель деформационного упрочнения, характеризующий склонность
исследуемого сверхпластичного материала к упрочнению при увеличении степени деформации.
Вряд ли оправданы попытки некоторых авторов характеризовать эффект
СП материалов определенного типа каким-либо одним из рассмотренных выше
критериев, поскольку совершенно разные по своей природе материалы в состоянии СП могут проявлять одинаковые ресурсы деформационной способности
или одинаковую чувствительность сопротивления деформации к изменению
скорости деформации.
8.2 Закономерности развития и условия проявления
сверхпластичности
Для СПД в отличие от обычной характерна сильная зависимость сопротивления деформации от ее скорости, которая в логарифмических масштабах
имеет сигмоидальный вид (рисунок 8.2 а). Такая сигмоидальная форма кривой
lgσ - lg e позволяет выделить на ней три области. При низких скоростях деформации наблюдаются относительно слабая зависимость σ от e (см. рисунок 8.2 а,
область I) и низкие значения m и δ (рисунок 8.3, б, в). С повышением e зависимость сопротивления деформации от скорости деформации становится более
резкой, значения m и  возрастают и происходит переход в область II, где эффект СП достигает максимума. Интервал скоростей деформации, соответствующий области II, несколько отличается у разных сплавов, но обычно находится
в диапазоне 10-4...10-2 с-1. Дальнейшее увеличение e вызывает снижение m и δ.
В области III при высоких e относительное удлинение, сопротивление дефор198
мации и параметр m приближаются к значениям, характерным для обычных
пластичных материалов. Такой вид кривой lgσ - lg e , часто называемой кривой
СП, на которой четко выделяются три области, является типичным для различных материалов в состоянии СП.
m
gl










I
II III gl е I
II III е I
II III е
(в
(б
(а
Рисунок 8.2 – Типичные зависимости сопротивления деформации σ (а),
относительно удлинения δ (б) и коэффициента скоростного упрочнения m(в)
от скорости деформации e в сверхпластичном (1) и обычном (2) состояниях:
I...III - характерные области СП
Существуют два принципиально различных метода экспериментального
определения величины m: метод двух испытаний, где
   
lg  

(8.2)
m  ,
 e 
lg  
 e 
и метод конечного множества испытаний lgσj - lg e j, j = 1, 2..., N.
Первая формула является приближенной, поскольку
  
lg  
 lg   lg 

(8.3)
m

m  ,
 lg e  lg e
 e  
lg  
 e  
и ее значения тем точнее, чем ближе e и e , а это, в свою очередь, ведет к
большей ошибке при определении σ'' по отношению к σ'. Анализ, проведенный
О.А. Кайбышевым и С.Я. Салиховым, показал, что достоверность второго метода нахождения m выше, чем первого.
Обычно графики скоростной зависимости коэффициента m строят в координатах lg e - m на основе опытов растяжения. Коэффициент m определяют
по наклону кривых lgσ - lg e либо методом переключения скоростей в процессе
деформации с применением различных способов расчета и экстраполяции кривых нагрузка - деформация, а также по данным испытаний на релаксацию
напряжений.
199
Часто значения m, определенные разными методами, при сохранении качественной корреляции с относительным удлинением, довольно существенно
различаются. Различия в значениях коэффициента m, измеренного разными
способами, обусловлены рядом факторов, в том числе исходным структурным
состоянием материала, его изменением в процессе растяжения, степенью деформации, при которой определяют m, формой кривых напряжение - деформация в условиях СП, значением и знаком коэффициента деформационного
упрочнения n, который зависит от формы истинных кривых деформаций.
О.А. Кайбышевым показано, что в настоящее время не существует универсального способа определения коэффициента m и его измеряемое значение
следует рассматривать не как константу материала, а как структурночувствительный параметр, конкретное значение которого зависит от методики
его измерения, степени и скорости деформации образца [4].
Коэффициент m является не только критерием сверхпластичности, но и
критерием перехода в сверхпластичное состояние. Его значения для обычных
металлов и сплавов по различным источникам составляют 0,02...0,17;
0,10...0,15; менее 0,2; а для сверхпластичных материалов - более 0,3; 0,2...0,3.
Идеально пластичному материалу соответствует m = 0, а вязкопластичному - m
= 1 (ньютоновское течение). Считается, что коэффициент m описывает способность материала сопротивляться образованию шейки и высокие значения этого
критерия являются необходимым условием для получения больших удлинений.
Типичные кривые СП показаны на рисунке 8.3. Относительное удлинение
δ и коэффициент m при оптимальных температурах сверхпластичности Тсп и
скоростях сверхпластической деформации e сп имеют максимальные значения.
Сопротивление деформации металлов и сплавов при оптимальной температуре
СП достигает минимальных значений (рисунок 8.3, в). Необходимо отметить,
что температуры СП, определенные по максимальным значениям относительного удлинения, коэффициента m и минимуму сопротивления деформации, могут не совпадать.
Установлено, что эффект СП чаще наблюдается у эвтектических, или эвтектоидных двухфазных сплавов. Это объясняется тем, что для их структуры,
состоящей из пластичной матрицы с равномерным распределением тонкодисперсионных и равноосных зерен второй фазы сплава, характерна наибольшая в
данной системе площадь межфазной поверхности. При прочих равных условиях только этот фактор может обеспечивать более высокую пластичность эвтектических (эвтектоидных) сплавов по сравнению со сплавами неэвтектического
состава. Наличие микроструктуры с наибольшей для данной системы площадью межфазной поверхности важнее для проявления эффекта СП, чем темпера200
тура испытания [4].
Необходимо отметить, что температуры СП, определенные по максимальным значениям относительного удлинения, коэффициента m и минимуму
сопротивления деформации, могут не совпадать.


(а
()
Тпс
gl 
 

е пс

gl е
(г
 

епс

gl е
(е
m
е 
пс

gl е
(б
Тфп Т
gl
(в


Тпс
Тфп Т
m
m
(д
m)
Т(пс
Т фп Т
Рисунок 8.3 – Типичные температурно-скоростные кривые сверхпластичности:
a, б – соответственно зависимости относительного удлинения δ от температуры
и скорости деформации; в, г – соответственно зависимости сопротивления деформации σ от температуры и скорости деформации; д, е – соответственно зависимости коэффициента m от температуры и скорости деформации; Тф.п – тем( )
( )
(m)
, TCП
, TCП
пература фазового превращения; TCП
– температуры сверхпластич-
ности, определенные соответственно по экстремальным значениям δ, σ, m;
(  ) ( ) ( m )
eCП
, eCП , eCП – скорости сверхпластической деформации, определенные соот-
ветственно по экстремальным значениям δ, σ, m
Сверхпластичность металлов и сплавов, претерпевающих в твердом состоянии диффузионные фазовые (полиморфные) превращения, имеет очень узкий (10...20оС) температурный интервал проявления. Однако единого мнения
201
по вопросу положения оптимальной температуры СП (Тсп), определяемой по
максимальной пластичности материала, по отношению к интервалу температур
фазового превращения в литературе нет. Авторы [4] считают, что оптимальная
температура СП находится в интервале полиморфного превращения, другие же
– что вблизи температур фазовых переходов [4].
8.3 Модели состояния сверхпластичности
Высокая устойчивость деформации образца при растяжении в условиях
СП определяется зависимостью сопротивления деформации материала от степени и скорости деформации, которая для изотермических условий имеет вид:
  Ae n e m ,
(8.4)
где σ - сопротивление деформации; А - эмпирическая константа; n, m - параметры материала, определяющие зависимость сопротивления деформации от степени е и скорости деформации e .
Для материалов со слабой зависимостью сопротивления деформации от
скорости деформации, т.е. при m, близком к нулю, параметр деформационного
упрочнения:
n = d lgσ / d lge.
(8.5)
Для материалов, слабо упрочняющихся при деформации,
σ = А e m,
(8.6)
а параметр скоростного упрочнения:
m = d lgσ / d lg e .
(8.7)
Уже при небольших степенях СП деформация выходит на стадию, когда
пластическое течение развивается под действием небольших и постоянных
напряжений практически без упрочнения до сотен и тысяч процентов удлинения (иногда даже наблюдается разупрочнение). При этом развитие локализации
деформации в виде образующихся шеек либо приостанавливается, либо происходит медленно на протяжении всего процесса растяжения.
В механике сплошных сред для количественного описания влияния
структуры на реологическое поведение материалов в состоянии сверхпластичности используются уравнения состояния [4]:
(8.8)
Ф( ; е; Dk ;T ,,...)  0 ,
где σ – напряжение течения; ė – скорость деформации; Dk – совокупность
параметров, характеризующих состояние структуры материала; Т – температура деформации; τ – время.
Существует два подхода к синтезу уравнений состояния (8.8). Первый
подход физический, основанный на физическом представлении о природе и ме202
ханизмах сверхпластичности. В этом подходе макропараметры (наряжение течения, скорость деформации) определяются через элементарные характеристики структуры (тип и параметры решетки, вектор Бюргерса, концентрация дефектов и т. д.). Другой подход – феноменологический, основанный на описании
внешних признаков сверхпластичности без детализации с использованием механических моделей, отражающие те или иные свойства деформируемых материалов. Феноменологический подход привлекателен тем, что в нем используются простые и эффективные реологические модели. Реологические модели,
описывающие процесс деформации в широком интервале скоростей, предполагают существование нескольких механизмов деформации, действующих на
разных стадиях. Первая стадия соответствует процессу ползучести, вторая –
процессу сверхпластической деформации, третья – пластической деформации.
Одним из основных условий проявления эффекта сверхпластичности
металлических сплавов и соединений является условие равенства скоростей
процессов деформационного упрочнения и процессов возврата. Математически
это условие можно записать следующим образом [4]:
1  
  1 f
1 

dе 
dе  
dе 
d
  е
е  f е
 
(8.9)
1 f
dе - характеризует относительное уменьшение площади
f е
поперечного сечения образца с увеличением степени деформации  при растяжении.
1 
Величина
d - интенсивность развития релаксационных процес 
сов, т. е. физическое разупрочнение образца.

Интенсивность развития релаксационных процессов
при сверхпла
стичности чрезвычайно высокая, вследствие очень высокой диффузионной подвижности атомов в поликристалле.

Величина
- характеристика деформационного упрочнения, а величие

на
- скоростного упрочнения.
е
Чтобы обеспечить компенсирование суммарного разупрочнения за время  при степени деформации е , сверхпластичные материалы должны обла  
дать повышенными характеристиками деформационного   и скоростного
 е 
Величина
203
  
упрочнения   , что обычно и наблюдается на практике.
 е 
Для оценки кинетики процесса возврата при сверхпластической деформации можно воспользоваться уравнением для релаксации напряжений [4]:
n
(8.10)
[ t  /  T ]2  1  exp Kt  ,
где  t  - разность между приложенным напряжением  t  и напря-
жением течения  T при сверхпластической деформации, [МПа]; t – длительность периода релаксации напряжения до величины  T , [с]; К – константа скорости процесса возврата, [с-1]; n − показатель степени скорости релаксации.
K  K 0 exp Q / RT  ,
(8.11)
где К0 – средняя частота колебаний атомов в объеме фрагмента структуры, в которой происходит релаксация напряжений; Q – энергия активации
[кДж/моль]. Величина К0 обратно пропорциональна величине активационного
объема.
Для определения энергии активации Q при сверхпластической деформации любых сплавов с кристаллической структурой можно использовать уравнение, предложенное в работах:
Q / RT  lnDОГ b / kTе ,
(8.12)
где Q – энергия активации [кДж/моль]; R – газовая постоянная [R =
8,31Дж/мольград]; Т – температура [К]; DОГ – коэффициент диффузии [м2/c]; 
- напряжение течения [МПа]; b – вектор Бюргерса [м]; k – константа Больцмана,
k = 1,3810-23 Дж/моль град; ė - относительная скорость деформации образца
при растяжении [с-1].
А. С. Тихонов рассматривает сверхпластичное состояние металлической
системы как высокоактивированное с повышенной свободной энергией. Причинами повышенной свободной энергии могут быть такие дефекты кристаллической решетки, как межфазные и межзеренные границы, границы субструктурных элементов, вакансии, дислокации, дефекты упаковки, примесные атомы. В технологии такое высокоактивированное состояние достигается механической, термической, термомеханической обработкой.
В настоящее время можно выделить четыре основных области пластической деформации (по шкале степеней деформации), при переходе через границы которых меняется как собственно подход к постановке задач исследования,
так и подход к методическому обеспечению и анализу исследования структуры
деформированных кристаллических материалов.
Первая область – область микропластической деформации (область деформаций, лежащая вплоть до нижнего предела текучести).
204
Вторая область – область "малых" пластических деформаций. Для
большинства кристаллических материалов это область от верхней границы области микропластической деформации (для ряда материалов от нижнего предела текучести) вплоть до значений степени деформации порядка 10%.
Третья область – область больших деформаций, на протяжении которой пластическая деформация в макромасштабе является устойчивой и равномерной. В этой области укладываются все интервалы деформации, где происходит явление атермического разупрочнения.
Четвертая область – действующие напряжения лежат вблизи предела
прочности. Явление сверхпластичности металлов и сплавов реализуется в этой
области предельно больших деформаций, когда исчерпан весь запас пластичности металла.
На сегодняшний день различными научными школами получено большое
число реологических и физических моделей, которые можно разделить на несколько групп.
Первую группу образуют модели, основанные на рассмотрении сверхпластической деформации как процесса вакансионной и дислокационной ползучести и межзеренного проскальзывания. В построение моделей существенный
вклад внесли отечественные (О.А. Кайбышев, Н.Н. Холин, Р.И. Нигматулин,
М.Х. Шоршоров и др.) и зарубежные (Бекофен, Эшби, Рейдж, Шерби, Вералл и
др.) ученые. Наиболее адекватными являются модели зернограничного скольжения с соответствующими аккомодационными процессами. Модели, описывающие зависимость напряжения течения от скорости деформации, предполагают существование нескольких механизмов деформации. К таким моделям относятся, например, предположенная О.М. Смирновым реологическая модель
упруговязко-пластической среды [4], уравнение состояния которой имеет следующий вид:
*i    eim
i 
 s ,
(8.13)
 s    eim
где I - пороговое значение интенсивности напряжений [МПа].
Данная модель описывает поведение сверхпластичных материалов на
всех трех стадиях s-образной кривой при постоянной температуре и неизменном структурном факторе.
Для практической реализации методики идентификации модели О. М.
Смирнова требуется большое количество измерений. Автор, например, предлагает аппроксимировать сигмоидальную кривую сверхпластичности кубическим
полиномом. Такой метод рационально применять при математическом моделировании технологических процессов обработки металлов давлением в условиях
205
сверхпластичности с целью определения значений материальных констант для
ряда моделей сверхпластичности.
Ко второй группе относятся флуктуационные и использующие термодинамику «малых» дисперсных систем модели. Они были выведены Я.Н. Френкелем и исследованы и развиты К.П. Гуровым, А.С. Тихоновым и М.Х. Шоршоровым для изотермической сверхпластичности при фазовых превращениях.
Температура сверхпластичности, согласно этим моделям, лежит несколько ниже температуры фазового превращения.
К третьей группе относятся модели, математическое описание которых
сводится к формированию соответствующих систем уравнений связи между
компонентами напряжений и деформации в элементах модели. Однако углубление представлений о природе неупругой деформации различных материалов,
учет большого количества факторов, влияющих на их свойства, приводит к существенному усложнению существующих моделей и затрудняет выработку
общих подходов к их численной реализации и комплексному применению в
прикладных задачах механики и обработки металлов давлением.
Оценивать параметры сверхпластической деформации по физическим и
реологическим моделям вследствие их приближенного характера и присутствия
в них трудно определяемых физических величин и эмпирических коэффициентов сложно. Кроме того, физические модели не дают количественной связи
критериев эффекта сверхпластичности с факторами, что необходимо для определения условий сверхпластичности и его практического использования.
Анализ существующих моделей показал, что оценивать параметры
сверхпластической деформации по физическим и реологическим моделям не
представляется возможным вследствие приближенного характера и присутствия в них трудно определяемых физических величин и эмпирических коэффициентов. Кроме того, они не учитывают влияние дисперсности исходной
структуры материала, значимость вклада которой в проявление эффекта СП
была отмечена предыдущими исследователями; не дают количественной связи
критериев эффекта СП с условиями его проявления. Поэтому актуальной задачей является построение структурно-термомеханических моделей описывающих влияние температуры, скорости деформации и параметров исходной
структуры материала (размера карбидных частиц) на критерии сверхпластического течения (сопротивление деформированию и пластичность).
Р.А. Васиным проанализированы особенности механического поведения
материалов в состоянии сверхпластичности. Автором отмечается, что для развития исследований материалов в состоянии сверхпластичности с использованием математических моделей необходимо объединение усилий специалистов
206
различных профилей: механиков, физиков, материаловедов и математиков [4].
Э.С. Макаров, исследуя процессы пластичности дилатирующих сред, отмечает также, что развитие техники выдвигает все более сложные задачи, эффективное решение которых связано, как с совершенствованием расчетных методов, так и с уточнением математических моделей изучаемых процессов. При
изучении процессов деформирования материалов в различных физикомеханических и механических полях установлено, что сопряженные поля различной природы имеют определяющее значение для решения проблемы получения высококачественных керамических деталей с повышенными эксплуатационными свойствами в состоянии сверхпластичности [4].
Рассмотрены вопросы разработки ресурсосберегающих процессов сверхпластической деформации и изотермического деформирования сталей и сплавов при различных схемах напряженного состояния и анализ процессов их пластического поведения в сопряженных термомеханических полях. При этом авторы анализируют возможности получения заготовок и изделий с заданными
физико-механическими и структурными характеристиками.
8.4 Механизмы сверхпластичности
Авторами показано, что высокая пластичность и малое сопротивление
пластической деформации сплавов около температур фазовых переходов (плавление, аллотропическое превращение при нагревании, мартенситное превращение при охлаждении) – результат ослабления межатомных связей и потери
устойчивости кристаллической решетки, характеризующих состояние предпревращения [4].
При оптимальных для возникновения эффекта сверхпластичности температурах и скоростях деформации происходит наибольшее увеличение диффузионной подвижности при минимальной энергии активации.
По своему реологическому поведению при пластической деформации
(резкое снижение сопротивления деформации, рост характеристик пластичности, отсутствие эффективного деформационного упрочнения и зон локализации
деформации, высокий коэффициент m) и физическим свойствам (очень высокие
концентрация вакансий, диффузионная подвижность атомов, скорость релаксации напряжений, внутреннее трение и экзоэлектронная эмиссия, весьма низкая
энергия активации процесса пластической деформации) СП материалы подобны обычным металлам и сплавам, находящимся в состоянии непосредственной
близости к температуре плавления (или температуре полиморфного превращения), т.е. в условиях аморфизации (перехода системы в другое термодинамиче207
ское состояние).
Структуры двухфазных сплавов, в которых наблюдается эффект СП,
можно разделить на три основных типа. Фазовые смеси типа аустенит + феррит
условно называются структурами первого типа; структуры, характеризующиеся
равномерным распределением дисперсных и прочных частиц второй фазы в
пластичной матрице – структурами второго типа, а промежуточные структуры
– структурами третьего типа [4].
Сверпластическое течение обеспечивается двумя основными процессами:
упрочнением и возвратом при близких скоростях их реализации (протекания).
Это одно из основных условий для зернограничного и межфазного проскальзывания, а также процессов аккомодации зерен, обеспечивающих сохранение
сплошности материала при интенсивной СПД. При этом истинные показатели
деформационного упрочнения в локальных объемах СП материала образцов
высоки.
Повышенные показатели истинного деформационного упрочнения в
сверхпластичных материалах обусловлены большим количеством барьеров на
пути движения дислокаций при пластической деформации. Наиболее эффективными из них являются межзеренные и межфазовые границы и дислокации
леса, образующиеся вследствие множественного скольжения. Несколько меньшее, но ощутимое влияние оказывают малоугловые границы субзерен и блоков,
особенно когда их много (в случае мелкокристаллических материалов, прошедших предварительно специальную механико-термическую обработку в виде
холодной деформации при степени деформации, не превышающей 10–12 %, с
последующим кратковременным нагревом до температуры полигонизации).
СП-материалы обладают весьма низкой эффективной величиной деформационного упрочнения в условиях СПД, что свидетельствует о весьма высокой скорости возврата и наличия динамического равновесия между этими процессами.
Высокие скорости релаксационных процессов в СП-материалах связаны с высокоактивированным их состоянием вследствие пересыщения дефектами кристаллической решетки (дислокации, вакансии, межфазные или межзеренные
границы), что приводит к существенному увеличению химического потенциала
системы.
При фазовой СП высокоактивированное состояние системы обусловлено
еще и тем, что в предпереходном состоянии, вблизи температуры фазового перехода, происходит уменьшение упругих констант и свойств, ослабевают силы
связи между атомами, усиливаются колебания атомов, повышается их диффузионная подвижность, решётка «разрыхляется» и становится нестабильной, что
приводит к аномальному снижению физических и механических свойств кри208
сталлических тел [4]. При переходе из одной фазы в другую становится возможным трансляция валентных связей, что существенно снижает энергию активации фазового превращения.
Для аморфных сплавов при температурах, соответствующих появлению
пиков СПД (в интервале Тс - Тк) энергия активации процесса деформирования
близка по величине к значению энергии активации для жидкого состояния, так
как в обоих случаях определяется механизмом вязкого течения. Различия зависят только от температуры и степени снижения динамической вязкости в интервале Тс - Тк, определяемой кинетикой развития структурной релаксации
твердой аморфной фазы, заключающейся в объединении ее (в объеме кластеров) наиболее диффузионно-подвижными легирующими и примесными элементами вследствие сегрегации их атомов вокруг субмикропор и у свободных
поверхностей.
Высокоактивированное состояние металлов и сплавов обусловливает ряд
специфических особенностей их деформации и других процессов, проходящих
в условиях СП: существенное повышение диффузионной подвижности атомов;
высокие скорости релаксационных процессов; повышение уровня экзоэлектронной эмиссии; необычно высокий уровень внутреннего трения. Одна из
главных трудностей, возникающих при подготовке материала к деформированию в условиях СП, - это получение в материале зерна размером менее 10 мкм.
С этой целью используют несколько методов, например, предварительную деформацию, которая обеспечивает однородность структуры и измельчение зерна, а, следовательно, и увеличение пластичности в состоянии СП.
Эффективным современным способом получения мелкозернистых материалов является порошковая металлургия. Сравнительные испытания на одноосное растяжение труднодеформируемых малопластичных сплавов на никелевой основе, полученных методами порошковой металлургии и по традиционной
металлургической схеме, в температурно-скоростных условиях СПД показали,
что в первом случае пластические характеристики повышаются в 1,5...2 раза,
сопротивление деформации снижается, и границы интервала скоростей деформации расширяются в сторону увеличения, что позволяет получать объемным
деформированием сложные детали ответственного назначения с повышенными
в несколько раз эксплуатационными характеристиками.
Основными механизмами пластической деформации при проявлении эффекта СП считают вакансионную ползучесть по Набарро-Херрингу (если преобладает диффузия по объему зерен) или по Кобле (если преобладает зернограничная диффузия), дислокационную ползучесть и зернограничное проскальзывание. При этом предпочтение отдается какому-либо одному из перечисленных
209
процессов и считается, что вклад остальных в общий процесс массопереноса
при СП практически ничтожен. Исследованиями же последних лет доказано,
что при СПД действуют следующие механизмы пластической деформации:
зернограничное проскальзывание, внутризеренное дислокационное скольжение
и диффузионная ползучесть [4], а СП проявляется при благоприятной их комбинации. Наиболее полно исследованы механизмы деформации при структурной СП и менее - при фазовой (или субкритической). Существуют гипотезы [4],
которые объясняют механизм деформации в момент фазового превращения,
вызывающего нестабильность кристаллической решётки металлической основы, но ни одна из них не имеет четкого экспериментального подтверждения.
Однако условия фазового превращения наиболее благоприятны для осуществления деформации в режиме легкого скольжения. Это может быть связано с
тем, что в условиях фазового перехода физико-механические свойства металлических материалов изменяются аномально, а именно эти условия способствуют протеканию сверхпластичности. В случае изотермической СП при фазовом переходе температурные границы ее областей резко сужаются и находятся в непосредственной близости от температуры фазового перехода Т ф.п. Причем оптимальная температура сверхпластичности Тсп будет при прочих равных
условиях соответствовать наиболее развитой межфазной поверхности материала.
При мартенситной сверхпластичности, например, в сплавах системы железо - никель, вероятными механизмами деформации являются процессы межзеренного проскальзывания, диффузионная ползучесть по Кобле, дислокационная ползучесть, контролируемая переползанием дислокаций, а также диффузия
примесных атомов вдоль дислокаций.
На основании представлений об электронном строении атомов в решетке
металла и данных о его дислокационной структуре (в первую очередь о количестве систем скольжения и энергии дефектов упаковки) был разработан ряд критериев для оценки способности металлов и сплавов к проявлению эффекта СП;
энергия Пайерлса, энергия дефектов упаковки, модуль упругости, модуль сдвига, теплота плавления и теплота сублимации. Металлы с высоким барьером
Пайерлса меньше проявляют эффект СП. Это в первую очередь переходные металлы с объемноцентрированной кубической решеткой: железо, хром, молибден, вольфрам и др. Никель, алюминий и некоторые сплавы на основе железа,
обладая уникальным сочетанием низкой энергии Пайерлса и высокой энергии
дефектов упаковки, представляются наиболее подходящими для разработки на
их основе объектов сверхпластичности.
210
8.5 Объекты сверхпластичности
Сверхпластичность характерна как для чистых металлов, так и для многофазных сплавов. Представители СП материалов имеются практически во всех
важных системах легирования на основе железа, титана, никеля, алюминия,
магния, цинка, циркония, кобальта и других элементов.
Исследуется и успешно применяется в промышленности эффект СП в
сталях [4], чугунах, цветных сплавах, нанокристаллических материалах, неорганических системах, керамике, композиционных материалах.
Разновидности сверхпластичных материалов
Разнообразные природные и технические материалы демонстрируют
сверхпластическое или квазисверхпластическое (подобное сверхпластическому) течение в определенном температурном интервале под действием внешних
или внутренних напряжений. Феноменологический анализ механики массопереноса, обеспечивающей такое течение, дает основание для разделения этих
материалов на три группы:
- поликристаллические сверхпластичные материалы, демонстрирующие
так называемую структурную сверхпластичность, т. е. сверхпластическое течение, при котором единицами массопереноса являются кристаллические зерна,
размер которых находится в микро-, субмикро- или наноинтервале, а также
кристаллизующиеся металлические расплавы в процессе деформации;
- различного рода материалы, демонстрирующие сверхпластическое течение, при котором единицами массопереноса являются отдельные атомы или
группы атомов (атомарная сверхпластичность); эту группу составляют неорганические неметаллические и металлические стеклообразующие системы, находящиеся в аморфном состоянии, а также материалы, демонстрирующие сверхпластичность при фазовых превращениях;
- различные несверхпластичные материалы, демонстрирующие квазисверхпластическое течение, а именно, материалы, входящие в состав геологических слоев поверхности и мантии Земли, некоторые полимеры.
211
Таблица 8.1 – Структурно сверхпластичные материалы [4]
Сверхвысокоуглеродистые
Композиты
на металлической основе
SiCp/7475
SiCw/2024
SiCw/2124
Нержавеющие
SiCw/6061
№
Металлические сплавы
Стали
1
2
3
Al-Ca-Si
Cu-Al-Ni
Al-Ca-Zn
Cu-P
Al-Cu
Cu-Zn
Al-Cu-Li
Cu-Zn-Ni
(2095)
Al-Cu-Mg (AK41;2024)
Al-Cu-Mn
Mg-Al-Zr
(Д20; 1201)
Al-Cu-Si
Mg-Li
Al-Cu-Zr
Mg-Mn-Ce
(2004-Supral)
Al-Li (8090)
Al-Mg-Cr
Ti-Al
Al-Mg-Mn
Ti-Al-Mo
(АМг6; 5083)
Al-Mg-Zr
Ti-6Al-4V
(1420; 5456)
Al-Zn-Mg
Ti-Mo-Sn-Zr
(В93; В96ц);
Ti-V-Mo-Al
(7075; 7475)
Инструментальные
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
SiCw/7075
SiCw/Zn – 22Al
SiNp/2124
SiNp/6061
SiNp/7064
SiNw/2024
SiNw/60б1
В настоящее время известно множество металлов и сплавов, а также интерметаллидов, керамических композиционных материалов, проявляющих эффект сверхпластичности. Принято считать, что любой сплав с ультрамелким
равноосным зерном при повышенных температурах и определенных, достаточно низких скоростях деформации может в большей или меньшей мере проявлять признаки структурной сверхпластичности. Однако для практического использования эффекта сверхпластичности недостаточно иметь в исходной заготовке улътрамелкое равноосное зерно. Необходимо еще сохранить малый размер зерен в течение всего времени сверхпластического деформирования, причем следует отметить, что для мелкозернистой структуры характерна большая
склонность к росту зерна, обусловленная стремлением уменьшить суммарную
энергию межзеренных границ. В таблице 8.1 приведен краткий обзор типов
структурно-сверхпластичных материалов.
Структурная сверхпластичность характерна как для чистых металлов,
так и для двух- и многофазных сплавов. В общем случае этот эффект наблюдается в поликристаллических агрегатах, три основных типа которых показаны на
рисунке 8.4. Фазовые смеси типа аустенит – феррит условно называются структурами первого типа; структуры, характеризующиеся равномерным распреде212
лением дисперсных и прочных частиц второй фазы в пластичной матрице –
структурами второго типа (например, алюминиевые сплавы 1201, 1420, В95), а
промежуточные структуры – структурами третьего типа.
К третьему типу относятся сплавы с микродуплексной структурой, у которых зерна двух фаз перемешаны, а объемные доли фаз примерно одинаковы.
У этих сплавов максимально развита поверхность раздела фаз с разным типом
кристаллической решетки и разным химическим составом, что обеспечивает
максимальное взаимное торможение роста зерен этих фаз. Примерами сверхпластичных сплавов с микродуплексной структурой являются (α+β)-титановые
сплавы ВТ6, ВТ14 и др., ферритно-аустенитная нержавеющая сталь и др.
Рисунок 8.4 – Структура сплавов с эффектом сверхпластичности:
а – первый тип; б – второй тип;
в – третий тип; α – ферритная фаза; γ – аустенитная фаза
В таблице 8.2 приведены примеры характеристик сверхпластического
состояния некоторых сплавов, полученных при испытаниях на растяжение.
Таблица 8.2 – Характеристики сверхпластического состояния некоторых сплавов [4]
№
1
2
3
4
5
6
7
8
9
Сплав
(% по массе)
Al – 33 % Cu
(эвтектика)
Al – 12 % Si
(эвтектика)
Al – 12 % Si –
4 % Cu
Ag – 28 % Cu
(эвтектика)
Bi – 40 % Ca
(эвтектика)
Bi – 65 % In
(эвтектика)
Bi – 43 % Sn
Bi – 32 % Pb –
16% Sn
Cd – 26 % Zn
Размер
зерна,
мкм
Коэффициент
скоростного
упрочнения
Удлинение,
%
Температура,
К
1000
680 – 800
0,5 – 0,8
117
800
0,5
100
770
0,4
500
1050
-
-
450
290
Более 1000
290
1150
290
400
293
213
1-7
0,5
1-2
№
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
21
22
23
24
25
26
27
28
29
30
31
32
33
34
35
36
37
38
Сплав
(% по массе)
Co – 40 % Al
(эвтектика)
Cr – 30 % Co
Cr – 40 % Ru
Cu – 10 % Mg
(эвтектика)
Cu – 10 % Al –
4 % Fe
Cu – 38 ÷ 50 % Zn
Углеродистые стали
Малолегированные стали
Нержавеющая
сталь 26 – 6
Mg – 6% Zn –
0.6% Zr
Mg – 35 % Ni
(эвтектика)
Mg – 30 % Cu
(эвтектика)
Mg – 33 % Al
(эвтектика)
Чистый никель
Ni – Cr – Fe
(различные составы)
Ni – 49 % Cr
In ∙ 100
Pb – 10 % Cd
Pb – 17 % Cd
(эвтектика)
Pb – 8 % Tl
Sn – 15 % Bi
(эвтектика)
Sn – 2 % Pb
Sn – 38 % Pb
(эвтектика)
Sn–32% Pb–18%
Cd(эвтектика)
Sn – 33 % Cd
(эвтектика)
Ti – 6 %Al – 4 %V
Ti – 15 % Al –
2.5 % Sn
Ti – 4 % Al –
0.25 % O
W – Re (различные
составы)
Размер
зерна,
мкм
Коэффициент
скоростного
упрочнения
0,4
0,47
Удлинение,
%
Температура,
К
850
1470
160
100
1473
1560
262
950
720
1070
300
350
720–1260
970
400
1070 – 1170
2
-
1090 – 1200
4-5
1000
540 – 580
120
770
400
770
2100
670 – 720
-
1090
До 1000
1080 – 1250
Менее 400
500
1500
1270
2700
290
371
290
0,4
0,6
0,5
0,6
0,65
0,5
0,6
0,5
0,8
8
5
0,5
373
290
1000
1
1,2-4
0,55
0,48-0,7
0,55
Более 1000
0,6 – 0,7
290
1150
2-3
138
0,6 – 0,7
0,5
1000
1070 – 1270
0,85
450
170 – 1370
0,72
-
1210 – 1310
200
2270
214
2-3
0,6
0,46
№
39
40
41
42
43
44
45
46
47
48
49
50
51
52
53
54
55
56
57
58
Коэффициент
скоростного
упрочнения
0,2
0,8
0,5
0,5
470 – 570
0,8 - 4
0,5 – 0,7
Более 700
200
520
1170
1 - 10
12
0,5
0,5
Более 200
1123
-
0,5
97
998
25
0,5
93
993
40
0,5
110
998
20
0,5
250
998
15
0,7
105
1003
27
0,5
210
998
15
0,7
120
110
110
125
130
125
130
130
1000
600
1073
1073
1083
1083
1098
1103
1083
1083
Прокат
0,5
0,5
0,5
0,5
0,5
0,5
0,5
0,5
1163 – 1183
Прокат
0,8
Удлинение,
%
Температура,
К
Zn чистый
Zn – 0.2 % Al
Zn – 0.4 % Al
Zn – 5 % Al
Zn – 22 % Al
(эвтектоид)
Zn – 40 % Al
циркаллой
Армко– Fe лист горячекатанный
Ст40Х
0,42 %С– 1,2 % Сr
Ст50
У8А (зернистый
перлит + феррит)
У8А (зернистый
перлит)
У12А (зернистый
перлит+цементит)
У12А (сорбит +
троостит)
Р9
Р12
Р18
Р6М5
Р6М5К5
Р9К5
Р9Ф5
Р12Ф3
Ti – 6 % Al – 4 % V
ВТ6 (60 %)
Ti – Al – Zr –
Mo – V
ВТ20
400
450
550
300
290
295
290
47 – 630
1500
ВТ8
Ni – сплав
ЭП962
Ni – сплав
ЖС6У
структура – дуплекс
АМГ6
59
АМГ61
60
Размер
зерна,
мкм
Сплав
(% по массе)
Al – Zn – Mg – Cr
B95
Более 600
Более 500
1233
480
500
650
Более 250
Более 550
670
750
900
250
200
300
300
350
200
873
923
1073
1073
1348
1223
1273
1373
693
693
773
773
783
783
215
0,75
0,75
0,1
0,4
5
0,25
5,5
9
9
5
8-9
0,33
0,46
0,47
0,3
0,6
0,35
0,4
0,55
-
-
Сплав
(% по массе)
Удлинение,
%
Температура,
К
Размер
зерна,
мкм
Коэффициент
скоростного
упрочнения
Супрал – 100
Al – Cu – Zr
Al – Zn – Cu
(эвтектика)
1600
800
743
743
5
-
350
823
63
Al – 4 Cu – 0.5 Zr
64
65
66
67
АЦ5К5
В96Ц
АМгб
ВНС48
(03Х26Н6Т)
12Х18Н10Т
МА8
МА15
ЖС6К
ВТЗ-1
ВТ6с
ВТ9
У-ТZP (керамика, основа ZrO2)
250
800
1000
850
410
600
793
773
823
738
693
1223
0,3
8
2
5
9,5
2,5
0,48
0,6
0.6
0,6
0,45
0,47
280
1053
2
0,5
300
320
420
2000
1800
1800
673
723
1398
1143
1173
1223
15
15
7,5
1,2
1,5
2
0,42
0,45
0,4
0,52
0,52
0,6
800
1823
0,3
0,5
№
61
62
68
69
70
71
72
73
74
75
-
Доэвтектоидные и эвтектоидные стали
Ранние исследования по сверхпластичности обычных углеродистых сталей имели сравнительно небольшой успех. Было установлено, что в результате
термомеханической обработки с целью получения микроструктуры, состоящей
из ультрамелких ферритных зерен, стабилизированных сфероидизированными
частицами цементита, стали, содержащие 0,2 – 1,0 % углерода, показывали
удлинение не более 130 %. Проблема с доэвтектоидными и эвтектоидными сталями состоит в том, что в процессе их термомеханической обработки обычно
формируются малоугловые границы зерен. Такие границы препятствуют зернограничному скольжению – основному механизму сверхпластической деформации ультрамелкозернистых сплавов. Однако обработка этих сталей термоциклированием после термомеханической обработки приводит к изменению структуры границ ультрамелких зерен: они становятся большеугловыми. В результате показатель скоростной чувствительности напряжения течения m повышается
до 0,5, а удлинения достигают 1000%.
Заэвтектоидные стали
Высокоуглеродистые стали с содержанием углерода 0,5–1,0 % и сверхвысокоуглеродистые стали с содержанием углерода 1,0–2,1 % используются в качестве конструкционных материалов весьма ограниченно, главным образом, изза того, что являются крайне хрупкими при комнатной температуре.
216
Исследования О.Д. Шерби (Sherby O.D.) и О.М. Смирнова с соавторами
показали, что у этих сталей в результате горячей или теплой термомеханической обработки, в частности, с использованием винтовой прокатки, легко формируется ультрамелкозернистая структура, состоящая из зерен феррита размером 0,3–3,0 мкм, стабилизированных частицами цементита размером 0,2–1,0
мкм. В этом структурном состоянии они становятся сверхпластичными при
температурах 650–8000С. Сверхпластичность у этих сталей наблюдается при
скоростях деформации от 10-5 до 10-3 с-1.
Разработаны два принципиально новых способа, позволяющих существенно усилить показатели сверхпластической деформации этих сталей. Вопервых, предложена новая концепция легирования, расширяющая температурный и скоростной диапазоны сверхпластического течения сверхвысокоуглеродистых сталей, и, во-вторых, разработаны новые схемы их деформирования,
позволяющие охватить области с более высоким содержанием углерода, соответствующие чугунам.
Состояние сверхпластичности исчезает с появлением процессов дислокационного скольжения в зернах при высоких скоростях деформации, при этом
скоростная чувствительность напряжения течения m становится малой (m≈0,1).
Максимальная скорость деформации, при которой сверхпластичность еще
можно наблюдать, не превышает 10-3 с-1. Она достигается при температурах
чуть ниже температуры фазового превращения А1. Если температура деформации будет выше А1, эвтектоидные карбиды начнут растворяться, зерна начинают расти, а сверхпластическое течение будет ослабевать. Поэтому одним из
способов усиления признаков сверхпластического течения в сталях является
повышение критической температуры А1, что предотвращает рост зерен при
повышенных температурах.
Белые чугуны
В сверхпластичное состояние удалось перевести также Fe – C сплавы с
более высоким содержанием углерода (2,1–5,0%). Эти сплавы, соответствующие по составу белым чугунам, получали в ультрамелкозернистом состоянии
методами порошковой металлургии и низкотемпературного отжига (600–
7000С). Такие порошки легко компактируются при температурах ниже А1 или
при термоциклировании в процессе фазового превращения.
Благодаря низкой температуре компактирования удается получать материалы с ультрамелким зерном (1 – 2 мкм). Они сверхпластичны при промежуточных температурах (750 – 850 0 С). Наибольшее удлинение 1410 % было получено у сплава Fe – 3 % C – 1,5 % Cr.
Материалы этой группы с содержанием углерода выше 4,3 %, соответствующие по составу заэвтектическим чугунам, могут быть отнесены к композитам с керамической матрицей, в которой распределены частицы феррита [4].
217
Низко- и среднелегированные стали
Сверхпластичное состояние было обнаружено у легированных сталей с
двумя типами структуры: ферритно-аустенитной и аустенитной. У сталей ферритно – аустенитного класса, содержащих 1 – 2 % Mn и 0,1 – 0,4 % С и имеющих размер зерен 1 – 2 мкм, первоначально было получено удлинение 300–500
%. Позднее у стали того же типа, содержащей 4,0% Ni, 3,0% Mo и 1,5% Ti, было достигнуто удлинение 600%. Ультрамелкозернистую структуру у этих сталей удается сохранить благодаря тому, что она представляет собой равномерную смесь зерен 50% феррита и 50% аустенита, подавляющих рост друг друга.
Трудность достижения сверхпластичности у этих сталей состоит в том, что
торможение роста зерен в этом случае обеспечивается в сравнительно узком
температурном интервале (800 ± 50)0С.
У сталей аустенитного класса, содержащих 13 % Mn и (1,2–1,7)% С (стали Гатфилда) ультрамелкозернистую структуру (размер зерен 3–4 мкм), удалось получить деформированием в аустенитно-цементитной области до выделения по границам аустенитных зерен частиц цементита с последующими холодной деформацией, разрушающей цементитную сетку, и рекристаллизационным отжигом. В таком структурном состоянии сверхпластичность у этих сталей
(удлинение порядка 500 %) была получена при 8000С.
Микродуплексные нержавеющие стали
Микродуплексные нержавеющие стали представляют большой интерес
для химического машиностроения из-за их высокой прочности и коррозионной
стойкости. Они содержат (18–40) % Cr и до 10 % Ni; в них также могут присутствовать Mo, Ti, Cu, Al, Si, Mn, C, N. Микродуплексными эти стали называются
потому, что их высокая пластичность объясняется особым состоянием их микроструктуры, которая представляет собой однородную смесь ультрамелких зерен (2–3 мкм) феррита и аустенита.
При исследовании сверхпластического поведения стали с 39 % Cr, 10%
Ni, 1,75% Ti, 1,0% Al было установлено, что высокая чувствительность напряжения течения этой стали (m ≈ 0,5) сохраняется при 9800С в широком интервале
скоростей деформации (6∙10-6  4∙10-2) с-1. При этом с достаточным основанием
можно утверждать, что единственным механизмом сверхпластической деформации этой стали является классическое зернограничное скольжение, аккомодированное дислокационным скольжением вблизи границ зерен. Применяются
также и другие сплавы различных систем легирования.
8.6 Применение эффекта сверхпластичности
Реализация эффекта сверхпластичности в технологических процессах обработки металлов давлением позволяет за одну операцию на серийном или специализированном оборудовании сравнительно небольшой мощности получать
218
детали сложной формы, очень близкой к конечной, и, соответственно, уменьшить трудоёмкость и стоимость изготовления изделия и повысить коэффициент
использования металла. Поэтому интерес к явлению сверхпластичности очень
высок не только у исследователей, но и у производственников.
Сверхпластическое состояние характеризуется очень большой, по сравнению с обычными материалами, чувствительностью напряжения течения к
изменению скорости деформирования. Для труднодеформируемых сплавов деформация в условиях сверхпластичности в ряде случаев может оказаться единственно возможным процессом штамповки и прессования.
А.А. Бочвар указывал, что явление сверхпластичности в основном должно быть использовано при обработке труднодеформируемых сплавов, здесь
может быть получен наиболее значительный технико-экономический эффект
[4]. Сверхпластическая формовка позволяет получать за одну формообразующую операцию уникально сложные детали, которые в противном случае необходимо было бы изготовлять составными из нескольких частей. Эта технология, в основном, способна конкурировать по стоимости с другими процессами,
каждому из которых присущи свои конструктивные особенности, преимущества и ограничения.
Деформация быстрорежущей стали Р6М5 при температуре 8000С, т.е. в
режиме сверхпластичности, позволит за один ход штампа продеформировать
заготовку сложной конфигурации, а повышение температуры до 850 0С приведёт к резкому снижению пластичности и деформации с нарушением сплошности.
При штамповке в режиме сверхпластичности не происходит обезуглероживания поверхности заготовок, и окисление минимально, поскольку не было
высокотемпературного нагрева. Отсутствие наклёпа при штамповке в условиях
сверхпластичности исключает операцию последующего отжига, который производится и необходим с целью смягчения для обрабатываемости и предотвращения образования при закалке ”нафталина”.
Обычная штамповка при высокой температуре позволяет изготовить
лишь заготовки простейшей формы, а штамповка в режиме сверхпластичности
позволяет значительно приблизить конфигурацию заготовки к конфигурации
готового инструмента [4].
Сверхпластичное состояние проявляется в узком температурном интервале. Для известных в настоящее время сплавов на основе железа и никеля оптимальная температура сверхпластичности составляет около 10000С, и изменение
её в ту или иную сторону на 50–800С приводит к резкому понижению уникальных пластических свойств [4].
Процесс обработки сверхпластичных сплавов энергетически выгоден изза снижения сопротивления деформации. Это обстоятельство может быть эффективно использовано только при условии хорошей теплоизоляции узла, где
непосредственно происходит обработка давлением. В этом отношении работа
со сверхпластичным материалом скорее напоминает термообработку под
напряжением, чем современные скоростные способы деформации сталей и
сплавов.
219
Основными преимуществами сверхпластического деформирования быстрорежущих сталей являются: аномально высокая деформационная способность,
позволяющая получать точные заготовки сложной конфигурации при минимальном числе операций и повысить коэффициент использования металла до
0,95; низкое сопротивление пластической деформации, позволяющее применять оборудование меньшей мощности; относительно невысокая температура
процесса сверхпластического деформирования, позволяющая снизить энергозатраты, получать заготовки с меньшей степенью обезуглероживания, повысить
стойкость штамповой оснастки и нагревательного оборудования; отсутствие
упрочнения, исключающее операцию последующего отжига стальных заготовок перед механической обработкой; получение после закалки более мелкого
зерна аустенита, уменьшение карбидной неоднородности и измельчение при
этом карбидов, а после отпуска повышение прочности и твёрдости материала,
определяющих повышение стойкости инструмента.
В настоящее время эффект сверхпластичности применяют с целью улучшения обрабатываемости для очень широкой гаммы материалов. От алюминиевых сплавов до композитов, армированных карбидом или нитридом кремния,
что приводит к существенному увеличению производительности. При использовании явления сверхпластичности можно существенно повысить эффективность такого перспективного процесса, как сварка давлением. Установлено, что
ускоренное формирование соединения в твёрдом состоянии с достижением
уровня свойств основного материала обеспечивается при реализации основного
механизма сверхпластической деформации – зернограничного проскальзывания.
Сверхпластическую деформацию можно рассматривать как универсальный способ сварки давлением титановых сплавов, обеспечивающий регулирование и контроль структурных изменений в зоне соединения при использовании таких параметров процесса, как температура, скорость деформации, степень деформации. Изготовление пакета листовых заготовок методом сварки
давлением в состоянии сверхпластичности существенно расширяет технологические получения изделий типа сферических сосудов из титановых сплавов.
Механические свойства материала зоны сварного соединения в этом случае
практически идентичны свойствам основного материала. Магниевые сплавы
имеют невысокие характеристики прочности и низкую пластичность, поэтому
уровень достигаемых ими при обработке свойств имеет значение не только для
оценки эффективности обработки, но и для применения сплавов в изделиях.
Температурные режимы сверхпластической деформации промышленных магниевых сплавов близки к температурам их термической обработки, поэтому появляется возможность использовать сверхпластическую деформацию не только
как метод формообразования изделий из магниевых сплавов, но в сочетании с
термической обработкой как эффективный способ улучшения комплекса механических свойств.
Благоприятное влияние, оказываемое сверхпластической деформацией на
комплекс механических свойств титановых сплавов, выявляется и при обработке сплавов на интерметаллидной основе. Особо актуальным для этих сплавов
является повышение пластичности при комнатной температуре. Обработку в
условиях сверхпластичности с успехом можно применять для повышения пластичности композиционных материалов и хрупких γ-сплавов титана.
220
Сверхпластичность является типичным примером реализации в металлах
и металлических сплавах экстремальных эффектов изменения прочности, пластичности и структурных характеристик свойств.
Сверхпластичность находит также применение при получении полых изделий из промышленных алюминиевых, магниевых и титановых сплавов методом газовой изотермической формовки; при соединении материалов в твердом
состоянии (сварка давлением); при упрочнении конструкционных сталей и
сплавов; при производстве волокнистых композиционных материалов; при создании новых износостойких и коррозионностойких сплавов и в других ресурсосберегающих и малопереходных процессах и технологиях (в том числе и в
состояниях предпревращения).
221
9 КОНСТРУКЦИЯ И ПРИНЦИПЫ РАБОТЫ
МЕТАЛЛОРЕЖУЩИХ СТАНКОВ
9.1 Основы устройства металлорежущих станков (МРС)
Классификация и кодирование МРС
Металлорежущие станки (МРС) – основные производящие машины –
орудия в машиностроении, в том числе в производстве и ремонте РАВ. Около
половины труда по изготовлению деталей машин и приборов приходится на
обработку металлов резанием, и эту работу выполняют металлорежущие станки.
Военный инженер-механик немыслим без глубокого, многостороннего
знания металлорежущего оборудования. Он должен знать станки, во-первых,
как технолог. Это означает умение правильно применить станок для получения
необходимой точности формы и размеров детали, шероховатости поверхности;
уметь настроить любой станок на изготовление заданной детали, создать требуемые для работы оснастку и инструмент. Во-вторых – как эксплуатационник.
Это означает умение правильно использовать станок в производстве, чтобы он
не потерял точности, умение правильно и быстро определить повреждение и
отремонтировать станок.
В нашей стране классификация МРС осуществляется по различным признакам: по степени специализации, автоматизации, по точности, по массе, по
технологическому методу обработки.
По степени специализации станки подразделяются на универсальные,
предназначенные для выполнения широкого круга работ; специализированные
– для обработки однотипных деталей с различными размерами; специальные –
для обработки только одной определенной детали.
Универсальные станки применяют при ремонте вооружения, а специализированные и специальные – на заводах основного производства.
По степени автоматизации МРС делят на станки с ручным управлением,
полуавтоматы, автоматы, с программным управлением.
По степени точности различают станки нормальной точности (обозначаются буквой Н), повышенной П, высокой В, особо высокой А и сверхвысокой
С (мастер-станки).
По массе станки делятся на легкие (массой до 1 т), средние (до 10 т) и
тяжелые (свыше 10 т).
Основной является классификация по технологическим признакам. В общепризнанной классификации, разработанной ЭНИМС (Экспериментальный
научно-исследовательский институт металлорежущих станков), станки подразделяют на группы, а группы на типы. В основу разбивки на группы положены
характер выполняемых работ и вид применяемого режущего инструмента. Все
станки разделены на 10 групп (нулевая группа является резервной и пока
наименования не имеет), а внутри каждой группы – на 10 типов (таблица 9.1).
1. Группа токарных станков включает станки, предназначенные для обработки поверхностей вращения. Объединяющим признаком является вращательное движение заготовки и поступательное – инструмента.
222
-
223
2
Токарные
Сверлильные и
расточные
Вертикально- Фрезерные
фрезерные
непрерывноконсольные
го действия
Продольные
Фрезерные
9
Пилонасекательные
Правильно и
бесцентровообдирочные
Разные
Муфто- и
трубообрабатывающие
Отрезные, работающие токарным абразивным
диском, резцом, кругом
8
Разрезные
Поперечнострогальные
одностоечные
двухстоечные
-
Специализированные
шлифовальные
Координатнорасточные
4
Сверлильноотрезные
-
Правильноотрезные
Долбежные
Зубофрезерные
для цилиндри- для червячных
ческих колес и колес
шлицевых валов
Копировальные
и гравировальные
-
Обдирочношлифовальные
Строгальные,
долбежные и 7
протяжные
6
Зуборезные
для конических колес
Зубострогальные для
цилиндрических колес
Зубо- и резьбообрабатываю5
щие
Внутришлифовальные
-
4
Круглошлифовальные
1
2
3
Револьверные
Автоматы и полуавтоматы
одношпинмногошпиндельные
дельные
Полуавтоматы
Вертикальноодношпинмногошпинсверлильные
дельные
дельные
-
Комбинированные
Шлифовальные
3
доводочные
1
Станки
Таблица 9.1 – Классификация металлорежущих станков
Группа
Для испытания инструментов
Ленточные
Протяжные
горизонтальные
Вертикальные бесконсольные
Для обработки
торцов
зубьев колес
-
Радиальносверлильные
5
Карусельные
Типы
Делительные машины
Дисковые
пилы
-
Продольные
Резьбофрезерные
-
Заточные
Расточные
6
Токарные и
лобовые
Балансировочные
Ножовочные
Протяжные
вертикальные
Широкоуниверсальные
Зубоотделочные
-
Плоскошлифовальные
Алмазнорасточные
7
Многорезцовые
-
-
-
Горизонтальные консольные
Зубо- и резьбошлифовальные
-
-
Разные
строгальные
Разные
зубо
и
резьбообрабатывающие
Разные
фрезерные
-
Разные
сверлильные
Разные
станки
работающие абразивом
Горизонтально-сверлильные
Притирочные
и полировальные
9
Разные
токарные
8
Специализированные
2. Группа сверлильных станков, в которую входят также и расточные,
предназначена для обработки круглых отверстий. Движением резания служит
обычно вращение инструмента.
3. Группа шлифовальных станков, включающая в себя доводочные и полировальные, объединяется по признаку использования абразивного режущего
инструмента (круги, бруски, ленты, порошки, пасты).
4. Комбинированные станки.
5. Зубо- и резьбообрабатывающие. В эту группу входят все станки, предназначенные специально для нарезания зубьев зубчатых колес и реек, а также
резьб.
6. Группа фрезерных станков объединяет все станки, использующие многолезвийный режущий инструмент – фрезы.
7. Группа строгальных станков объединяет станки, в которых движением
резания является прямолинейное возвратно-поступательное движение инструмента или изделия. Сюда же относят и протяжные станки.
8. Группа разрезных станков включает все типы станков для разрезки и
распиловки материалов.
9. Группа разных и вспомогательных станков, которые не вошли ни в одну из перечисленных групп.
На основе указанной классификации производится кодирование МРС.
Условное обозначение (шифр или индекс) станка состоит из трех–четырех
цифр с добавлением букв. Первая цифра указывает группу, вторая – тип (см.
таблицу 9.1), третья и четвертая – один из важнейших параметров станка (для
токарных станков – высота центров над станиной, для сверлильных – наибольший диаметр сверления, для фрезерных – размер стола, для строгальных –
наибольший ход ползуна и т.д.). При модернизации станка вводят букву после
первой (иногда после второй) цифры. Например, 2135 – вертикальносверлильный станок с наибольшим диаметром сверления 35 мм; 2А135, 2Н135
– обозначение станков после очередной модернизации.
Модификацию базовой модели обозначают добавлением буквы в конце
шифра. Например, 6Н12 – вертикально-фрезерный станок; 6Н12К – копировально-фрезерный, 6Н12Ф – с программным управлением, созданные на базе
станка 6Н12. Класс точности станка указывается буквой в конце шифра.
Например, 16К20П – станок повышенной точности; 3Г71В - станок высокой
точности. Для станков нормальной точности буква Н не ставится.
Иногда встречаются отступления от указанного правила, например, НС12 (настольный сверлильный), ИТ-1М (Ивановский токарный).
Основные механизмы станков
Каждый станок имеет рабочие органы (шпиндели, суппорты, столы, ползуны, планшайбы и т.п.), которым сообщают определенные движения в зависимости от характера выполняемых работ (см. раздел 4). Все движения делятся на
224
основные (главное движение резания и движения подач) и вспомогательные
(установочные, наладочные, закрепительные, транспортирующие).
Совокупность устройств, приводящих в действие рабочие органы станков, называют приводом (привод главного движения, привод подачи). Привод
состоит из источника движения (электродвигателя) и кинематических цепей,
состоящих из отдельных передач (ременных, зубчатых, червячных, винтовых,
кулачковых и др.). Совокупность кинематических связей называется кинематической структурой, а ее условное изображение в плоскости чертежа – кинематической схемой станка. Правила составления кинематических схем регламентированы ГОСТом 2.770-68.
В металлорежущих станках наибольшее применение нашли следующие
основные механизмы: коробки скоростей и подач, гитары сменных колес, реверсивные
механизмы,
механизмы
для
осуществления возвратнопоступательного, прерывистого (периодического) движения, обгонные механизмы и некоторые другие.
Коробки скоростей и подач служат для регулирования скоростей резания
и величины подачи. Характеризуются двумя основными критериями: диапазоном регулирования и закономерностью изменения параметра в пределах данного диапазона.
1. Диапазоном регулирования называется отношение предельных значений регулируемого параметра:
Rn 
n max
n min ;
Rs 
S max
S min ,
где Rn – диапазон регулирования скоростей; Rs – диапазон регулирования
подач.
В современных универсальных станках Rn=60 - 200. Например, в станке
1А616 Rn=
2240
 204 .
11
Чем больше Rn и Rs, тем шире технологические возможности станка.
2. Закономерность изменения скорости (подачи) в пределах данного диапазона. Русский ученый-артиллерист академик А.В.Гадолин показал в 1876 г.,
что частота вращения шпинделей в станках должна изменяться по геометрической прогрессии. Это следует из условия постоянства абсолютной потери экономически выгодной скорости резания для всего интервала частот, то есть из
условия эксплуатационной равноценности станка во всем диапазоне скоростей.
Стандартизированы значения знаменательной прогрессии : 1,06; 1,12; 1,26;
1,41; 1,58; 1,78; 2,0.
Все значения частот вращения шпинделя станка можно вычислить по зависимостям: n2=n1∙φ; n3=n1∙φ2…nz=n1∙φz-1.
От геометрической структуры рядов подач отступают в тех случаях, когда этому препятствуют особенности механизма (например, храповой механизм
дает арифметический ряд), или когда имеются специальные требования
(например, цепь подач для нарезания резьб).
225
Наибольшее применение в МРС находят коробки скоростей и подач со
ступенчатым регулированием параметра, кинематическая схема которых включает механизм с передвижными (скользящими) блоками шестерен и механизмы
с муфтами (рисунок 9.1).
Изменение передаточного отношения в первом случае осуществляется
переключением подвижного блока шестерен до зацепления с соответствующей
парной шестерней. На рисунке 9.1, а показана простейшая коробка со скользящим тройным блоком, которая обеспечивает три передаточных отношения:
Z
Z
Z
i1  1 ; i2  3 ; i3  5 .
Z2
Z6
Z4
Рисунок 9.1 - Механизмы для ступенчатого регулирования:
а – с блоком шестерен; б – с муфтой
Таким образом, при постоянной скорости вращения вала , вал  может
получить три различные скорости вращения, в зависимости от положения
тройного блока.
Применяя комбинацию из двойных и тройных блоков (реже применяется
четверной блок), можно осуществить регулирование передаточных отношений
в значительных пределах.
Так, например, в станке 1А616 коробка скоростей содержит два двойных
и один тройной скользящие блоки и, следовательно, обеспечивает 223=12
различных передаточных отношений.
Указанный способ регулирования передаточных отношений применяется
практически во всех металлорежущих станках (коробки подач и скоростей токарных, сверлильных, фрезерных, строгальных, зубообрабатывающих и многих
других).
Во втором случае (рисунок 9.1, б) шестерни 2 и 4 сидят на валу  свободно, а муфта – на скользящей шпонке (шлицах). При n1=const вал  имеет
226
две различные скорости вращения: если муфта М включена вправо, n 2  n1 
если влево – n 2  n1 
Z3
,
Z4
Z1
.
Z2
Для переключения применяют зубчатые (с эвольвентным зубом), кулачковые и фрикционные (конусные и дисковые) муфты с ручным управлением,
электромагнитные и др. Основным недостатком такой конструкции является то,
что неработающая пара находится все время в зацеплении, что приводит к
преждевременному износу передачи и лишним затратам мощности.
В легких и точных токарных и сверлильных станках для регулирования
главного движения часто применяют ступенчато-шкивный привод (рисунок 9.2,
а). Вал  вращается с постоянной скоростью, а вал  получает четыре различD1
D
ные скорости, в зависимости от положения ремня: n2  n1 / ;… n4  n1 4/ .
D1
D4
Главные достоинства ременного привода: плавность работы, отсутствие вибраций, простота и низкая стоимость. Недостатки: непостоянство передаточного
отношения из-за проскальзывания ремня, неудобство переключения.
Рисунок 9.2 - Ступенчато-шкивный привод (а)
и механизм Нортона (б)
Механизм с накидным колесом (конус Нортона), показанный на рисунке
9.2, б, представляет собой блок зубчатых колес (до 12 - 14 штук), жестко закрепленный на валу I. На валу П на скользящей шпонке перемещается шестерня 8 , с которой в постоянном зацеплении находится накидная шестерня 7.
227
Накидную шестерню можно зацепить с любым колесом блока 1…6 и, следовательно, получить различные скорости вращения вала П. Достоинства такого
механизма: простота конструкции, компактность, наименьший расход шестерен. Недостаток - малая жесткость. Широко применяется в коробках подач токарно-винторезных станков для обеспечения точного ряда шагов резьб.
Реверсивные механизмы служат для изменения направления движения
элементов станка. Реверсирование движений в МРС может быть осуществлено
с помощью реверсирования электродвигателя, гидродвигателя и механических
устройств. Чаще всего реверсирование осуществляется с помощью цилиндрических и конических зубчатых передач (рисунок 9.3).
Рисунок 9.3 - Реверсивные механизмы
У реверсивного механизма с передвижными зубчатыми колесами наличие
дополнительного зацепления в виде паразитного колеса обеспечивает изменение направления вращения вала  при перемещении зубчатого блока Z4 – Z5
влево. Передаточные отношения будут
i1 
Z1 Z 2

Z2 Z5
или i2 
Z3
.
Z4
Аналогично работает и механизм, состоящий из цилиндрических шестерен с двухсторонней кулачковой муфтой (рисунок 9.3, б).
У реверсивного механизма с коническими зубчатыми колесами и с двухсторонней муфтой (рисунок 9.3, в) при перемещении муфты М влево или вправо вал II получает левое или правое вращение.
Механизмы для преобразования вращательного движения в поступательное. Источники движения, как правило, характеризуются вращательным
движением (электродвигатели, шпиндели). Поэтому в тех случаях, когда рабочее движение прямолинейно (главное движение в строгальных, долбежных
станках; движение подачи в токарных, сверлильных, фрезерных и других станках), необходимы механизмы для преобразования движений.
Среди многообразия подобных механизмов чаще всего применяются:
а) кривошипно-кулисный механизм (рисунок 9.4, а). При равномерном
вращении кривошипа 1 кулиса 2 качается относительно оси О2, а ползун 3 вместе с суппортом и резцом получает прямолинейное возвратно-поступательное
движение. Как видно из графика (рисунок 9.4, б), скорость обратного хода зна228
чительно больше скорости рабочего хода. Не требуется специального устройства для реверса. Недостатки: большое число шарниров, удары в момент реверса за счет зазоров, непостоянство скорости резания. Применение: строгальные,
некоторые зуборезные станки;
б) шестеренно-реечный механизм. Применяют два варианта: 1) рейка неподвижна, шестерня обкатывается по рейке (подача в токарных станках); 2) ось
шестерни неподвижна, шестерня вращается, рейка перемещается поступательно (главное движение в продольно-строгальных станках, подача в сверлильных
станках). Достоинства: высокий КПД, малое количество деталей, простота. Недостаток - малая точность перемещения. Не годится, где нужно точное согласование движений (например, нарезание резьб);
Рисунок 9.4 - Схема кулисного механизма
в) передача ходовой винт-гайка. Варианты: 1) перемещается гайка (подача в токарных, карусельных, револьверных и других станках); 2) перемещается
винт (подача в фрезерных, шлифовальных станках). Достоинства: высокая точность и плавность перемещений, возможность значительной редукции, передачи больших усилий, самоторможение.
Механизмы для осуществления периодических движений. В станках используют в основном храповые и мальтийские механизмы. Схема храпового
механизма показана на рисунке 9.5, а. Собачка 1, получая качательное движение, захватывает зубья храпового колеса 2 и поворачивает его вокруг оси вала 3
в одном направлении. Возвращаясь в исходное положение, собачка проскальзывает по зубьям, и последние остаются в покое. Применение: подача в строгальных, долбежных, шлифовальных станках и т.п. Передаточное отношение
229
храпового механизма
a
,
Z хр
где а – количество зубьев храпового колеса, захватываемых собачкой за
один оборот;
Zхр – число зубьев храпового колеса.
Мальтийский крест служит для поворота на заданный угол (рисунок 9.5,
б). Он состоит из водила 1, вращающегося непрерывно, и диска 2, имеющего
радиальные пазы (обычно 4 - 6). При числе пазов Z вал повернется на 1/Z оборота при одном полном обороте водила.
i
Рисунок 9.5 - Механизмы прерывистых движений
Механизмы обгона. Применяются в случае передачи вращения одному
валу от двух самостоятельных приводов (например, медленного рабочего движения и ускоренного наладочного). Храповое устройство (рисунок 9.6, а) состоит из храпового колеса 1, жестко насаженного на вал 3, и защелки 4, связанной с диском 2. Диск свободно вращается на валу и может получить движение
от зубчатого колеса 5. Если сообщить движение диску по стрелке, защелка 3
поведет храповое колесо с валом. Если последнему сообщить ускоренное вращение в том же направлении (от другого источника), то защелка 4 препятствовать обгону не будет. После выключения быстрого вращения вала защелка зацепит храповое колесо и поведет его снова.
230
На рисунке 9.6, б показан роликовый (фрикционный) механизм обгона.
На валу 4 свободно насажена втулка 6, а на шпонке – диск 7, имеющий три выреза, внутри которых находятся ролики 5, поджимаемые пружинами 8. Медленное вращение по часовой стрелке получает втулка 6. Ролики, увлекаемые
силами трения и поджимаемые пружинами, заклиниваются между втулкой и
вырезами диска. Если валу 4 сообщить ускоренное движение в том же направлении, то ролики вместе с диском начнут обгонять втулку 6 и расклинятся. При
выключении быстрого вращения ролики снова заклиниваются.
Рисунок 9.6 - Механизмы обгона
Типовые составные части станков
Каждый станок включает в себя целый ряд составных частей (деталей,
сборочных единиц, агрегатов, механизмов), среди которых можно выделить типовые, то есть присущие всем или большинству типов станков: станины (стойки, колонны); коробки скоростей; коробки подач; шпиндели; столы, планшайбы; суппорты; системы смазки и охлаждения (насосы, фильтры, емкости, трубопроводы, арматура).
Станины (стойки, колонны). Станина станка служит опорой для всех
остальных его составных частей, воспринимает нагрузки, возникающие при резании. Основное требование – длительное обеспечение правильного взаимного
положения частей, смонтированных на ней, при всех предусмотренных режимах работы станка.
В большинстве случаев станины современных станков отливают из серого чугуна. Чаще всего используют чугуны с пластинчатым графитом марок от
СЧ 15 до СЧ 45, в особо ответственных случаях – высокопрочные чугуны с шаровидным графитом ВЧ 35 - ВЧ 70. Реже применяют станины сварные из проката.
231
Для обеспечения жесткости станины наивыгоднейшим сечением является
сечение в форме полого прямоугольника (коробчатое сечение). Однако форму
вполне замкнутого прямоугольника по всей длине станины выдержать не удается, так как нужно обеспечить свободное удаление стружки, разместить внутри различные механизмы, что сильно снижает жесткость.
Для повышения жесткости в станинах применяют поперечные перегородки: параллельные и диагональные. Практика показывает преимущество диагональных перегородок перед параллельными.
Перемещение рабочих органов станка по станине обеспечивается направляющими. В станках в основном получили распространение направляющие
скольжения, реже применяются направляющие качения.
Наиболее распространенным материалом для направляющих является серый чугун. Износостойкость чугунных направляющих может быть повышена за
счет поверхностной закалки токами высокой частоты (до НRС 40 - 52).
Шпиндели. Шпиндель – это последний вал главного привода в станках с
вращательным движением. Он служит для сообщения вращательного движения
закрепленному в нем режущему инструменту (сверлильные, фрезерные, шлифовальные станки) или обрабатываемой заготовке (токарные, карусельные
станки).
Точность обработки на многих станках в значительной мере определяется
точностью вращения шпинделя, поэтому особые требования предъявляются к
опорам шпинделя. В качестве опор используют подшипники качения и скольжения. Чаще всего применяют радиально-упорные и конические подшипники
качения повышенной точности – 5, 4, 2 классов точности по ГОСТ 520-71.
Подшипники скольжения в опорах шпинделей применяются, как правило: а) в очень точных станках; б) в тяжелых станках. Достоинствами их являются: высокая точность вращения; высокая виброустойчивость; малые габариты
по диаметру.
Вкладыши подшипников скольжения изготовляют из бронзы, антифрикционного чугуна, баббитов.
В современных быстроходных станках (особенно в шлифовальных) часто
применяются подшипники скольжения с воздушной смазкой. Они выполняются
как аэростатические опоры с большим избыточным давлением подводимого
воздуха. Особенностью воздушных подшипников является меньшая по сравнению с гидравлическими жесткость и меньшие потери на трение. Это обусловлено тем, что вязкость воздуха в 2000 раз меньше вязкости масла "индустриальное 20".
На конце шпинделя крепятся устройства для зажима заготовки (токарные,
карусельные) или инструмента (сверлильные, фрезерные, шлифовальные станки).
Столы, планшайбы, суппорты. Эти подвижные части станков предназначены:
232
 для закрепления и перемещения обрабатываемой детали (столы фрезерных, строгальных, шлифовальных станков; планшайбы карусельных, зуборезных станков);
 для установки и рабочего перемещения режущего инструмента (суппорты токарных, револьверных и других станков).
Все эти составные части имеют прямолинейные или круговые направляющие.
9.2 Токарно-винторезный станок
Токарные станки предназначены для обработки наружных и внутренних
поверхностей вращения (цилиндрических, конических и фасонных), подрезания
торцев, нарезания резьбы. При наличии специальных приспособлений на них
можно выполнять и другие работы. Например, станки ЛТ-10, ЛТ-11 и ИТ-1М,
которые входят в состав подвижных ремонтных органов, оснащены специальными приспособлениями для фрезерования и шлифования, что существенно
расширяет их технологические возможности при ремонте РАВ в полевых условиях.
Основным видом режущего инструмента для токарных работ являются
резцы. Для обработки отверстий используются также сверла, зенкеры, развертки; для нарезания резьбы применяются метчики и плашки.
В зависимости от масштаба производства и характера выполняемых работ в производстве и ремонте вооружения применяют следующие типы токарных станков.
Токарные автоматы предназначены для обработки заготовок из пруткового материала круглого, квадратного и шестигранного сечения (или из штучных заготовок) в условиях крупносерийного и массового производства. У них
автоматизирован весь цикл обработки детали. Токарные автоматы подразделяются по количеству шпинделей на одношпиндельные и многошпиндельные; по
расположению осей шпинделей – на вертикальные и горизонтальные; по технологическому назначению – на фасонно-отрезные, фасонно-продольные и револьверные.
Токарные полуавтоматы предназначены для обработки из пруткового
материала ступенчатых валиков и других подобных заготовок в условиях крупносерийного и массового производств. У них автоматизированы обычно только
рабочие операции, а вспомогательные (установка и закрепление обрабатываемой заготовки, освобождение и снятие ее, пуск станка, контроль размеров обрабатываемой заготовки и т.д.) выполняются вручную.
Токарно–револьверные станки служат для токарной обработки заготовок
из пруткового материала, а также для обработки отдельных заготовок в патроне, требующих последовательного применения различных инструментов
(резцов, сверл, разверток, метчиков и др.) в условиях серийного производства.
Револьверные станки дают возможность переходить от работы одним режущим
инструментом к работе другим без остановки станка, вследствие чего их производительность выше, чем у обычных токарных станков. Они отличаются от то233
карных станков отсутствием задней бабки и наличием револьверной головки с
вертикальной или горизонтальной осью вращения, в которой закреплен набор
режущих инструментов.
Карусельные станки применяются для обточки и расточки цилиндрических, конических и фасонных поверхностей, подрезки торцев и сверления отверстий в крупногабаритных заготовках большого диаметра (более 500–1000
мм) и малой длины(до 500–800 мм) в тяжелом машиностроении. Заготовка крепится на планшайбе, вращающейся в горизонтальной плоскости.
Токарно–винторезные станки являются наиболее универсальными станками токарной группы. Они служат для обработки разнообразнейших деталей,
ограниченных поверхностями вращения и нарезания любого типа резьб. Используются главным образом на ремонтных работах и в условиях единичного и
мелкосерийного производства.
Назначение и техническая характеристика (ТХ) станка
На ремонтных работах, в условиях единичного и мелкосерийного производства главным образом используются токарно-винторезные станки (тип 6),
обладающие наибольшими технологическими возможностями. Они организационно входят в состав артиллерийских ремонтных мастерских: подвижных –
ЛТ-10, ЛТ-11, ИТ-IМ (машина МРМ), 1601П, 16Т02П (машина ОП), стационарных – 1В620П, 1К62, 16К20П, 1А616, 1В61, 1М61П, 1А62.
Все эти станки имеют практически однотипную компоновку и примерно
одинаковые технические данные. В качестве объекта изучения выберем станок
модели ИТ-1М (машина МРМ из комплекта ДАРМ-70).
Назначение станка. Станок предназначен для токарной обработки сравнительно небольших деталей из различных материалов как быстрорежущим,
так и твердосплавным инструментом. На этом станке можно выполнять следующие работы:
 обработка наружных и внутренних поверхностей вращения (цилиндрических, конических, фасонных) проходными, расточными и фасонными
резцами;
 обработка торцевых поверхностей подрезными резцами;
 вытачивание всевозможных канавок и отрезка деталей прорезными и
отрезными резцами;
 нарезание практически любой резьбы резцом, а также метчиками и
плашками;
 сверление, зенкерование, развертывание инструментом (сверлом, зенкером, разверткой) установленным в пиноли задней бабки.
При наличии специальных приспособлений можно выполнять и другие
работы. Например, к станкам ЛТ-10, ЛТ-11, ИТ-1М придаются приспособления
для фрезерования и шлифования. Эти приспособления позволяют существенно
расширить технологические возможности станка.
234
Приспособление фрезерное ИТ-1М.65 предназначено для обработки плоскостей, пазов, шпоночных канавок и других фрезерных работ. Оно устанавливается на поперечной каретке и служит для закрепления и перемещения заготовки (в вертикальном, поперечном направлении, поворот вокруг двух осей).
Режущий инструмент (фрезы концевые диаметром 4–50 мм) устанавливается непосредственно в шпинделе станка. Крепление концевых фрез производится через отверстие в шпинделе шомполом.
Приспособление шлифовальное предназначено для круглого наружного и
внутреннего шлифования деталей, устанавливаемых в патроне или в центрах.
Состоит из плиты, шпинделя, электродвигателя, шлифовального круга и ограждения. Диаметры шлифуемых заготовок:
- при наружном 20 - 220 мм (nшп=4200 об/мин);
- при внутреннем 30 - 380 мм (nшп=12250 об/мин).
Электродвигатель N=0,55 кВт, n=2800 об/мин.
Техническая характеристика станка ИТ-1М
Высота центров над станиной, мм.........................................................................202
Класс точности по ГОСТ 8-77...................................................................................Н
Наибольший диаметр обработки, мм..........................................................................
- над станиной................................................................................................400
- над выемкой.................................................................................................550
- над суппортом..............................................................................................225
Наибольшая длина обработки (РМЦ), мм...........................................................1400
Наибольшая длина обработки в выемке, мм.........................................................300
Центр в шпинделе по ГОСТ 132140-67.................................................Морзе 5 АТ8
Центр в задней бабке...............................................................................Морзе 4 АТ8
Диаметр прутка, проходящего через отверстие в шпинделе, мм..........................36
Высота резца, устанавливаемого в резцедержателе, мм........................................25
Количество скоростей шпинделя.............................................................................12
Пределы частот вращения шпинделя, об/мин..............................................28 – 1250
Количество подач (продольных и поперечных)......................................................50
Пределы подач, мм/об,
- продольных.........................................................................................0,05 – 6,0
- поперечных.......................................................................................0,025 – 3,0
Шаги нарезаемых резьб
- метрических, мм................................................................................0,25 – 112
- модульных, мм...................................................................................0,25 – 56
- дюймовых (ниток на I“)..........................................................................56 – 1
- питчевых, питч.........................................................................................56 – 1
Мощность электродвигателя, кВт..............................................................................3
Составные части и кинематика станка
Станок состоит из следующих составных частей (рисунок 9.7).
Станина 9, служащая опорой всех остальных частей станка и воспринимающая нагрузки, возникающие при резании. Покоится на двух тумбах: в левой
1 располагается коробка скоростей, в правой – система подачи СОЖ. К тумбам
подвешен поддон или корыто для сбора стружки и СОЖ. Станина имеет две
пары закаленных направляющих для движения суппорта и задней бабки.
235
Передняя (шпиндельная) бабка 3, служащая для закрепления заготовки и
придания ей вращательного движения с различной частотой вращения от
шпинделя. Содержит шпиндель с переборным устройством и часть привода подачи (звено увеличения шага и реверс подачи). Шпиндель (полый вал) установлен на опорах качения повышенной точности. Сквозное отверстие в шпинделе
служит для пропускания длинного прутка при обработке. На правом конце
шпинделя имеется резьба, на которую навинчивается приспособление для закрепления обрабатываемой заготовки (трехкулачковый, четырехкулачковый
патроны, планшайба и т.п.). Шпиндели изготовляют обычно из стали 45 с последующим улучшением (закалка с высоким отпуском).
Рисунок 9.7 - Общий вид токарно-винторезного станка ИТ-1М
Задняя бабка 7 перемещается по направляющим станины вручную и закрепляется в нужном месте. Она предназначена: а) для поддержания длинных
заготовок задним центром; б) для закрепления и сообщения ручной подачи инструменту при обработке отверстий (сверла, развертки, зенкеры, метчики,
плашки); в) для обточки длинных пологих конусов.
Коробка скоростей является составной частью привода главного движения и служит для изменения частоты вращения шпинделя в соответствии с тре236
буемой скоростью резания. Особенностью станка ИТ-1М является разделенный
привод главного движения, то есть коробка скоростей вынесена в левую тумбу
и движение от нее к шпиндельной группе передается клиновым ремнем. Регулирование скорости вращения шпинделя осуществляется изменением передаточных отношений шестерен путем переключений блоков зубчатых колес, сидящих по скользящей посадке на шлицевых валиках.
Коробка подач 2 должна обеспечить достаточно широкий ряд передаточных отношений для получения требуемой величины подачи суппорта с резцом
в продольном и поперечном направлениях при обточке (от ходового валика) и
при нарезании резьбы (от ходового винта). Источником движения подачи является шпиндель.
Гитара сменных колес находится в кинематической цепи привода подач и
служит, чаще всего, для настройки станка на нарезание специальных резьб (модульных и питчевых).
Фартук 8 прикрепляется к каретке суппорта. В нем расположены механизмы для преобразования вращательного движения ходового вала или ходового винта в поступательное (продольное или поперечное) перемещение суппорта.
Суппорт 6 с быстродействующим четырехпозиционным резцедержателем служит для закрепления резца и сообщения ему движения подачи. Нижняя
часть суппорта – продольные салазки - движется по направляющим станины
(продольная подача); средняя часть - поперечные салазки - обеспечивает поперечную подачу; верхняя (поворотная) часть применяется при обточке конусов
(наклонная подача).
Ходовой вал служит для сообщения подачи суппорту при всех токарных
работах, кроме нарезания резьбы (продольная и поперечная подача).
Ходовой винт служит для сообщения суппорту продольной подачи при
нарезании резьбы резцом.
Система охлаждения служит для очистки и подачи в зону резания смазывающе-охлаждающей жидкости.
Принцип работы. Заготовка устанавливается в центрах или закрепляется
в патроне (на планшайбе). Длинные заготовки поддерживают центром задней
бабки; может применяться также дополнительная опора - люнет (подвижный
или неподвижный). В резцедержателе суппорта могут быть закреплены четыре
резца, а в пиноли задней бабки – инструмент для обработки отверстий. Предварительно ручной подачей на обрабатываемой заготовке берется пробная стружка для установления глубины резания. Затем устанавливают расчетные режимы
резания и производят обработку на выбранных режимах.
Кинематическая структура станка. Кинематику любого станка разделяют на составные части (приводы или цепи): привод главного движения, привод подачи, а также вспомогательные приводы.
237
Привод (цепь) главного движения (см. кинематическую схему станка ИТ1М) призван обеспечить главное вращательное движение заготовки с требуемой скоростью (частотой вращения). Состоит из электродвигателя (N=3 кВт,
n=1430 об/мин), клиноременной передачи, шестиступенчатой коробки скоростей и переборного устройства (1:1 или 1:8). Таким образом, привод главного
движения обеспечивает 12 скоростей вращения шпинделя: шесть высоких скоростей от коробки, минуя перебор (1:1) и шесть низких – через перебор (1:8).
Уравнение движения цепи будет иметь следующий вид:
24 / 48
19 / 53  165  36 18 
nшп  1430  36 / 36  



36 / 36 190  72 72  , об/мин.

30 / 42
Определим экстремальные значения частот вращения шпинделя:
24 19 165 36 18
nmin=1430
∙ ∙
∙
∙
=28 об/мин;
48 53 190 72 72
36 36 165
nmax=1430∙
∙
∙
∙1=1250 об/мин.
36 36 190
Из уравнения можно определить все 12 частот вращения шпинделя, которые обеспечивает станок. Из них необходимо выбрать и установить на станке
ближайшую меньшую к рассчитанной по формуле или выбранной по таблице.
Привод (цепь) подач. Порядок настройки цепи подач совершенно аналогичен изложенному выше. Уравнения кинематического баланса будут:
при обточке с продольной подачей:
1 об.шп. ∙ iз.у ∙ iсм ∙ iкп ∙ iф ∙ π ∙ m ∙ z=Sпр , мм/об;
при обточке с поперечной подачей:
1 об.шп. ∙ iз.у ∙ iсм ∙ iкп ∙ iф ∙ tx=Sпоп;
при нарезании резьбы:
1 об.шп. ∙ iз.у. ∙ iсм ∙ iкп ∙ Tхв=p, мм.
Здесь:
iз.у=1 или 8 – передаточное отношение звена увеличения шага;
iсм – передаточное отношение гитары сменных колес (прилагаются сменные шестерни z = 55, 33, 29, 42);
iкп – передаточное отношение коробки подач (50 значений);
iф=const – передаточное отношение фартука;
π∙m∙z – передаточное отношение шестеренно-реечной передачи;
tx=5 мм – шаг винта поперечной подачи;
Тхв=6 мм – шаг ходового винта станка;
р – шаг нарезаемой резьбы, мм.
Настройка современных станков обычно не требует каких-либо расчетов.
Величины возможных частот и подач предварительно вычислены и оформлены
в виде таблиц, указывающих нужное положение соответствующих рукояток
переключения.
238
Настройка станка на нарезание резьб не предусмотренных механизмом
подач или резьб с нестандартным шагом. Такие резьбы можно нарезать при
специальной настройке гитары подач с помощью сменных шестерен без использования коробки подач. Таким способом нарезают также резьбы с очень
точным шагом.
Коробка подач исключается из цепи подач соединением напрямую гитары с ходовым винтом (по схеме включаются муфты М2, М3 и М4).
Уравнение кинематического баланса принимает вид:
1 об.шп. ∙ iз.у. ∙ iсм ∙ Tхв=p.
Формула настройки
iсм=p/(iз.у∙ Tхв).
Шаги резьбы р и ходового винта Tхв должны быть указаны в одной размерности.
Так, если ходовой винт станка метрический, то и шаги нарезаемых резьб
должны быть выражены в миллиметрах.
Для дюймовой резьбы:
25,4
р=
n , мм, где n – число ниток на 1 дюйм.
Для модульной резьбы:
р=π∙m, мм, где m – модуль резьбы.
Для питчевой резьбы:
25,4 
р=
Zp , мм, где zp – число питчей.
Передаточное отношение, подсчитанное по формуле настройки необходимо представить в виде отношения чисел зубьев колес гитары:
А В
iсм= ∙
.
Б Г
Чтобы сменные колеса разместились на гитаре, необходимо выполнение
следующих неравенств:
А+В>В+(15 - 20),
В+Г>Б+(15 - 20).
9.3 Сверлильные станки
Назначение, типы и ТХ сверлильных станков
При ремонте вооружения часто приходится производить обработку отверстий как в сплошном материале, так и уже имеющихся, например, при восстановлении посадок в сопряжениях, постановке штырей и вставок, обработке
отверстий под ремонтный или начальный размеры, при соединении деталей
239
болтами, винтами, шпильками и т. п. Эти работы выполняются на сверлильных
или расточных станках, относящихся ко второй группе МРС.
Назначение сверлильных станков. Станки второй группы предназначены для: выполнения следующих работ:
 получение сквозных и глухих отверстий в сплошном материале (цилиндрических, конических, ступенчатых с помощью сверл);
 чистовая и получистовая обработка зенкерами и развертками;
 нарезание резьбы метчиками с помощью соответствующих приспособлений;
 хонингование, притирка, полирование, растачивание с использованием
хонов, притиров, эластичных кругов и борштанг;
 зенкование торцевых поверхностей и углублений под головки винтов с
помощью зенковок.
Выпускается и применяется также комбинированный инструмент: ступенчатое сверло, сверло-зенкер, зенкер-развертка, сверло-зенковка.
Типы сверлильных станков. Основными типами станков этой группы
являются:
Вертикально-сверлильные станки (тип 1), являющиеся наиболее простыми и универсальными. Выпускаются с максимальным диаметром сверления по
стали средней прочности с σВ=500 – 650 МПа: 3; 6; 9; 12; 16; 18; 25; 35; 50 и 75
мм. Применяются в основном в условиях ремонтного и мелкосерийного производства.
Их делят на две группы:
- настольные с максимальным диаметром сверления 3, 6, 9, 12 мм;
- наколонные с максимальным диаметром сверления 16, 18, 25, 35, 50 и 75
мм.
Примеры: 2М112П (машина ОЭ);
2А106П (машина ОП);
2М112 и НС-12А (машина МРС) из состава ДАРМ;
2Н118, 2Н135 (стационарные ремонтные мастерские).
Радиально-сверлильные станки (тип 5) применяются для обработки отверстий в крупных и тяжелых заготовках, когда их перемещение по столу станка затруднено. При работе на этих станках деталь остается неподвижной, а
сверлильная головка перемещается относительно нее и устанавливается в требуемое положение. Пример: станок модели 2В56 с максимальным диаметром
обработки 60 мм.
240
Горизонтально-сверлильные станки (тип 8). Это станки для глубокого
сверления, то есть для обработки отверстий, глубина которых более чем в 5 раз
превышает диаметр (стволы стрелковых и артиллерийских систем, цилиндры
ПОУ и т.п.). Применяются на заводах основного производства.
Горизонтально-расточные (тип 6) и координатно-расточные (тип 4) станки
для расточки всевозможных деталей. Пример: горизонтально-расточной станок
модели 262Г. Это широкоуниверсальные станки, на которых можно производить черновое и чистовое растачивание отверстий, обтачивание наружных цилиндрических поверхностей и торцев отверстий, сверление, зенкерование и
развертывание отверстий, фрезерование плоскостей, нарезание резьбы и другие
операции.
Кроме того, ко второй группе относятся сверлильные полуавтоматы (одношпиндельные (тип 2) и многошпиндельные (тип 3), алмазно-расточные и
разные сверлильные станки.
Наибольшее применение при ремонте РАВ нашли станки первого типа,
то есть вертикально-сверлильные.
Рассмотрим обозначение станков сверлильной группы на примере станка
модели 2Н135, где:
2 – номер группы;
Н – очередная модернизация базовой модели;
1 – номер типа (подгруппы);
35 – максимальный диаметр отверстия, мм.
Технические характеристики некоторых вертикально-сверлильных
станков приведены в таблице 9.2.
Таблица 9.2 – Основные технические характеристики некоторых вертикально
сверлильных станков
Параметр
2А106П
НС-12
2Н118
2Н135
Наибольший диаметр сверления, мм
6
12
18
35
Наибольшее расстояние от
торца шпинделя до стола, мм
250
400
720
750
Частоты вращения шпинделя,
об/мин
1000-8000
508-3917
180-2800
31,5-1400
Количество частот вращения
шпинделя
7
5
9
12
ручная
ручная
0,1-0,56
0,1-1,6
Количество подач
-
-
6
9
Мощность двигателя, кВт
0,4
0,6
1,5
4
Подачи, мм/об
241
Составные части и кинематическая структура
вертикально-сверлильного станка
Составные части вертикально-сверлильного станка рассмотрим на примере станка модели 2Н135 (рисунок 9.8).
1. Фундаментная плита (А) служит опорой станка и одновременно резервуаром для охлаждающей жидкости. Отлита из серого чугуна марки СЧ 25.
На плите установлен электронасос, а внутри – резервуар с отстойником и фильтром для СОЖ, которая в процессе обработки подается в зону резания по трубопроводу.
2. Колонна (станина) станка (Б) крепится к плите и несет на себе вертикальные направляющие типа «ласточкин хвост», по которым перемещаются и
закрепляются в нужном положении сверлильная головка и стол. В колонне размещены также шкаф электрооборудования, системы смазки и охлаждения.
3. Сверлильная (шпиндельная) головка (В) представляет собой чугунную
отливку коробчатого сечения, в которой монтируется коробка скоростей, коробка подач, шпиндель, механизм подачи и противовес шпинделя.
 Коробка скоростей приводится во вращение вертикально расположенным электродвигателем и сообщает шпинделю 12 различных частот вращения.
Смазка механизма коробки скоростей, как и всех узлов сверлильной головки, производится от плунжерного насоса, закрепленного на нижней плите.
Работа насоса контролируется специальным маслоуказателем на лобовой части
подмоторной плиты.
 Коробка подач. Механизм коробки подач смонтирован в отдельном
корпусе и устанавливается в сверлильной головке. За счет перемещения двух
тройных блоков шестерен осуществляется 9 различных подач.
Переключение скоростей производится рукояткой 3, которая имеет четыре положения по окружности и три вдоль оси; переключение подач осуществляется рукояткой 4, имеющей 3 положения по окружности и три положения
вдоль оси.
Рукоятки расположены на лицевой стороне сверлильной головки.
242
Рисунок 9.8 - Составные части станка
 Шпиндель 5 смонтирован на двух шарикоподшипниках. Осевое усилие подачи воспринимается нижним упорным подшипником, а усилие при выбивке инструмента – верхним. Для выбивки инструмента служит специальное
приспособление на головке шпинделя.
В нижнем конце шпинделя имеется внутренний конус Морзе №3 для закрепления режущего инструмента. На гильзе шпинделя нарезана зубчатая рейка для перемещения шпинделя вдоль оси при ручной и автоматической подачах.
 Механизм подачи, состоящий из червячной передачи, горизонтального
вала с реечной шестерней, лимба, рукояток, кулачковых и храповых обгонных
муфт, является составной частью сверлильной головки.
Механизм подачи приводится в движение от коробки подач и предназначен для выполнения следующих операций:
- ручного подвода инструмента к детали штурвалом 2;
- включения рабочей подачи;
- ручного опережения подачи;
- выключения рабочей подачи;
- ручного отвода шпинделя вверх;
- ручной подачи, используемой при нарезании резьбы.
Механизм подач допускает ручную подачу шпинделя. На левой стенке
сверлильной головки смонтирован лимб для визуального отсчета глубины обработки и настройки кулачков.
4. Стол станка (Д) служит для закрепления обрабатываемой заготовки,
для чего на нем имеются Т-образные пазы. Мелкие заготовки закрепляют в ста243
ночных тисках, установленных на столе, а крупные – непосредственно на столе
с помощью болтов, прижимов и пр.
Стол имеет возможность вертикального перемещения (при наладке)
вручную при помощи двух конических шестерен и пары «винт-гайка».
5. Система смазки. В зависимости от климатических условий масляный
резервуар заполняется до нижнего уровня. Уровень масла следует проверять по
красной точке маслоуказателя до пуска станка или после его выключения через
10-15 минут (после стока масла в резервуар). Количество заливаемого масла в
резервуар станка 8,5 л. (масло индустриальное 20А, ЦИАТИМ-201).
Кинематическая структура станка. Основными движениями рабочих
органов сверлильного станка являются:
 Главное движение – вращение шпинделя с режущим инструментом.
 Движение подачи – осевое перемещение шпинделя.
 Вспомогательные движения, к которым относятся:
- ручные перемещения стола и шпиндельной бабки в вертикальном
направлении при наладке;
- быстрое ручное перемещение шпинделя вдоль его оси при подводе (отводе) режущего инструмента к (от) заготовке (и).
Привод главного движения (см. кинематическую схему станка модели
2Н135).
Главное вращательное движение сообщается шпинделю с закрепленным
в нем инструментом от электродвигателя мощностью 4 кВт с п = 1420 об/мин
через постоянную передачу 30-45 и коробку скоростей.
На валу П коробки скоростей находится тройной подвижный блок колес
Б1 (25-30-35), обеспечивающий валу Ш три скорости вращения. От вала Ш через колеса 25-35 вращение передается валу IV, на котором расположен двойной
подвижный блок колес Б2 (35-42), приводящий в движение вал V. Вал V имеет
двойной подвижный блок Б3 (50-15), обеспечивающий валу VI две скорости
вращения. Таким образом, шпиндель получает 12 скоростей вращения.
Уравнение кинематического баланса цепи главного движения имеет сле25
35 35 25 15

30 30 35 50 60
дующий вид: nшп  1420  45  30  15  25 50 , об/мин.

35 42 50 25
25
Из этого уравнения можно рассчитать все 12 частот вращения шпинделя
станка.
Определим максимальную и минимальную скорости вращения шпинделя:
30 35 35 50 25
nmax  1420     
 1400 об/мин;
45 25 35 25 50
244
30 25 15 15 25
   
 31,5 об/мин.
45 35 42 60 50
Привод подач. Движение подачи заимствуется от шпинделя VI, от которого оно передается через колеса 34-60 и 19-54 на вал VШ коробки подач.
Коробка подач станка 2Н135 обеспечивает при помощи двух тройных
блоков Б4 (16-30-45) и Б5 (26-31-36) девять различных значений вертикальных
подач шпинделя.
Уравнение кинематического баланса цепи подач имеет следующий вид:
nmin  1420 
16 36
45 26
34 19 30 31 17 1
S в ерт  1об.шп.   

     m  z , мм/об.
60 54 31 31 17 60
45 26
16 36
Здесь  m z =  3 13 – передаточное отношение шестеренно-реечной передачи.
Определим экстремальные значения подач:
34 19 16 26 17 1
S min  1        3,14  3  13  0,104 мм/об;
60 54 45 36 17 60
34 19 45 36 17 1
S max  1    
   3,14  3  13  1,58 мм/об.
60 54 16 26 17 60
Настройка станка на основные виды работ. Станок можно настроить на
выполнение следующих работ:
а). Настройка на обычную работу заключается:
 в установке стола и сверлильной головки в нужное положение (вручную);
 в зажиме их к колонне (станине);
 в установке необходимых частот вращения и подач шпинделя.
При многостаночном обслуживании имеется возможность настроить станок: на выключение подачи при заданной глубине сверления и на автоматическое реверсирование шпинделя при достижении заданной глубины нарезания
резьбы.
б) Настройка станка на работу с выключением подачи на заданной глубине сверления:
 установить инструмент в шпинделе, а деталь на столе станка;
 подвести шпиндель до упора инструмента в деталь;
 лимб на сверлильной головке установить так, чтобы против указателя
находилась цифра, соответствующая глубине обработки;
 кулачок с буквой «П» закрепить так, чтобы его правый торец совпал с
соответствующей риской на лимбе.
245
В ходе обработки по достижении нужной глубины, подача прекращается,
шпиндель будет продолжать вращаться. Это происходит следующим образом.
Движение червяку механизма подач передается через муфту (см. кинематическую схему станка), которая всегда включена под действием пружины. Кулачок
«П» на лимбе через горизонтальный валик и штангу отключает муфту, преодолевая усилие пружины.
Эта же муфта играет роль предохранительного устройства от перегрузок.
При помощи гаек пружина настраивается на усилие 1500 кг, при превышении которого муфта выключается (прощелкивает).
в) Настройка станка на автоматическое нарезание резьбы:
 установить патрон с метчиком на шпинделе, деталь – на столе;
 опустить шпиндель до упора метчика в деталь;
 лимб установить так, чтобы против указателя находилась цифра, соответствующая глубине нарезания резьбы;
 кулачок с буквой «Р» закрепить так, чтобы его правый торец совпадал
с соответствующей риской на лимбе.
После достижения заданной глубины нарезания резьбы кулачок «Р»,
нажимая на контакт электросхемы, реверсирует электродвигатель и метчик вывинчивается из отверстия.
9.4 Фрезерные станки
В производстве и ремонте РАВ фрезерные станки находят самое широкое
применение. Казенники, клин затвора, верхние и нижние станки к артиллерийским орудиям, направляющие к ПОУ и другие детали РАВ изготовляют на машиностроительных заводах с использованием различных типов фрезерных
станков. В условиях ремонта в основном применяются горизонтальные консольно-фрезерные, вертикальные консольно-фрезерные и широкоуниверсальные станки.
Назначение, типы и ТХ фрезерных станков
Назначение фрезерных станков. Фрезерные станки предназначены для
выполнения широкого круга операций:
 обработка плоских и фасонных поверхностей цилиндрическими, торцевыми, фасонными фрезами;
 прорезка прямых и винтовых канавок (в том числе крупных резьб)
дисковыми, пальцевыми, резьбовыми фрезами;
 нарезание зубьев зубчатых колес и реек (с прямым и винтовым зубом)
методом копирования модульными дисковыми и концевыми фрезами;
 нарезание червяков, червячных колес, шлицев специальными фрезами;
246
 разрезка заготовок на части дисковыми пилами;
 сверление, зенкерование, развертывание и др.
Значительно расширяет возможности фрезерного станка применение специального приспособления - универсальной делительной головки.
Типы фрезерных станков. Фрезерные станки составляют шестую группу классификации ЭНИМС, которая, в свою очередь, состоит из 10 типов. Укажем основные из них, разделив на 2 группы: общего назначения (универсальные) и специализированные.
Фрезерные станки
Общего назначения
Специализированные
Вертикальные консольные
(тип 1)
Вертикальные бесконсольные
(тип 5)
Широкоуниверсальные
(тип 7)
Горизонтальные (тип 8)
Непрерывного действия (тип 2)
Копировальные и гравировальные
(тип 4)
Продольно-фрезерные (тип 6)
Дадим краткую характеристику основным типам:
а) Вертикально-фрезерные станки имеют шпиндель, расположенный
вертикально. Иногда шпиндель может поворачиваться вокруг горизонтальной
оси. Работают на этих станках в основном торцевыми и концевыми фрезами.
Консольные станки имеют подачу в трех направлениях (нежесткая консоль
обеспечивает вертикальную подачу), то есть являются наиболее универсальными. У бесконсольных (тип 5) - подача только в двух направлениях (продольном
и поперечном), зато они более жесткие, допускают применение интенсивных
режимов резания, более производительны.
б) Горизонтальные консольно-фрезерные станки (тип 8) характеризуются
горизонтальным расположением шпинделя. Стол этих станков может перемещаться в трех взаимно перпендикулярных направлениях. Эти станки предназначены для фрезерования различных заготовок сравнительно небольших размеров, в основном цилиндрическими, дисковыми, фасонными, угловыми, модульными фрезами в условиях единичного и серийного производства. При
наличии делительной головки на этих станках можно фрезеровать прямозубые
шестерни, рейки, спиральные канавки и т.д. В зависимости от наличия поворотной части стола горизонтально-фрезерные станки подразделяют на простые
(без поворотной части) и универсальные.
247
в) Широкоуниверсальные станки (тип 7) имеют два шпинделя - горизонтальный и вертикальный и поворачивающийся стол, то есть они обладают чрезвычайно широкими возможностями.
г) Фрезерные станки непрерывного действия (тип 2) применяются в
условиях крупносерийного и массового производства. Они относятся к специализированным фрезерным станкам. Фрезерные станки непрерывного действия
позволяют производить закрепление и съем обработанных заготовок без остановки станка. К ним относятся: барабанно-фрезерные станки, которые предназначены для непрерывной обработки торцевыми фрезами заготовок, закрепляемых на вращающемся барабане с горизонтальной осью вращения; карусельнофрезерные станки, предназначенные для непрерывной обработки торцевыми
фрезами заготовок, закрепляемых на вращающемся вокруг вертикальной оси
круглом столе.
В этих станках рабочий стол может получать лишь круговую подачу. Заготовки, закрепленные в приспособлениях на вращающемся столе, поочередно
проходят под несколькими фрезами. Производительность таких станков очень
велика, так как детали снимают и устанавливают без остановки стола, то есть
фрезерование ведется непрерывно.
д) Копировально-фрезерные станки (тип 4) предназначены для обработки
разнообразных плоских профилей (изготовление кулачков, шаблонов, матриц,
пресс-форм и т.д.) и пространственно-сложных поверхностей (объемное фрезерование). По числу шпинделей станки делят на одношпиндельные и многошпиндельные. В копировальных станках всякое изменение формы - задающего
устройства (шаблона или копира) производит непосредственное воздействие на
копировальный ролик, связанный жестко с фрезой. Станки этого типа применяются в условиях единичного и мелкосерийного производства.
е) В продольно-фрезерных станках (тип 6) стол может перемещаться
только в продольном направлении. Вертикальное и поперечное перемещение
получают шпиндельные бабки и шпиндели. Могут быть исполнены одностоечными и двухстоечными. Двухстоечные станки имеют четыре шпинделя - два
горизонтальных на стойках и два вертикальных на траверсе. Продольнофрезерные станки используются для обработки горизонтальных и вертикальных плоскостей, главным образом, в серийном производстве при одновременной обработке партии изделий, а также при изготовлении крупных деталей
(станины станков, прессов). Фрезерование осуществляется торцевыми и концевыми фрезами в условиях серийного и массового производства.
ТХ фрезерных станков
Рассмотрим пример обозначения станка модели 6Р81:
248
6
Р
8
Условное обозначение
размера стола:
0 - 200×800 мм,
1 - 250×1000 мм,
2 - 320×1250 мм,
3 - 400×1600 мм и т.д.
I
номер
тип
группы
станка
модернизация базовой модели
Ниже приведены технические данные двух фрезерных станков, наиболее
широко применяемых при ремонте РАВ (из состава УПМ института).
Параметр
Размер стола, мм
Число частот вращения шпинделя
Пределы частот вращения шпинделя,
об/мин
Число подач
Пределы подач, мм/мин
продольной
поперечной
вертикальной
Скорость быстрого перемещения, мм/мин
Мощность главного электродвигателя, кВт
Модель станка
6Р81
675П
250×1000
260×700
16
8
50–1600
16
110–1230
8
35–1020
28–190
14–390
2610
5,5
142–285
25–285
25–285
2,8
Составные части и кинематическая структура фрезерного станка
Составные части станка модели 6Р81 показаны на рисунке 9.9.
249
Рисунок 9.9 – Составные части станка
1. Фундаментная плита или основание станка (А) с резервуаром для
охлаждающей жидкости.
2. Станина (Б) покоится на основании и представляет собой отливку, разделенную на две полости; в верхней расположена коробка скоростей и механизм
привода шпинделя, в нижней – электронасос. С левой стороны станины размещены механизм переключения перебора шпинделя и переключения скоростей.
По верхним горизонтальным направляющим станины перемещается хобот с
серьгами. В серьге смонтирована на шарикоподшипниках втулка для поддержки фрезерной оправки.
3. Коробка скоростей с двигателем на ее корпусе располагается в полости станины; здесь же находится шпиндельное устройство с перебором.
4. Хобот (В) с подвесками для поддержания второго конца фрезерной оправки.
Хобот может перемещаться по станине и закрепляться в нужном месте.
Дополнительная связь (Г) консоли с хоботом для повышения жесткости при
тяжелых режимах обработки.
5. Консоль (Ж), которая может перемещаться по направляющим станины, обеспечивая вертикальную подачу. Консоль содержит коробку подач, редуктор, коробку реверса и механизмы подачи самой консоли.
250
6. Поперечные салазки (Е) перемещаются по направляющим консоли, обеспечивая поперечную подачу.
Поворотная часть (Д) позволяет осуществлять поворот стола в горизонтальной
плоскости на угол ±450. Это необходимо, например, для фрезерования винтовых канавок (косозубые шестерни, резьбы, червяки и т.п.).
7. Стол станка (И) служит для закрепления детали (приспособления) и сообщения ей продольной подачи. Стол перемещается по направляющим поворотной части.
Органы управления (рисунок 9.9): 1 – рукоятка переключения коробки скоростей; 2 – рукоятка включения перебора шпинделя; 3 – рукоятка ручного продольного перемещения стола; 4 – рукоятка управления продольной подачей
стола; 5 – рукоятка управления поперечной подачей; 6 – рукоятка управления
вертикальной подачей; 7 – рукоятка ручного вертикального перемещения консоли; 8 – маховик ручного поперечного перемещения стола; 9 – маховичок переключения коробки подач; 10 – рукоятка включения перебора подач.
Принцип работы. Обрабатываемые детали закрепляют непосредственно на столе, в машинных тисках, в делительной головке или других приспособлениях.
Насадные фрезы крепят на оправках. Для поддержания длинных оправок применяют хобот с центральной и концевой подвесками. Хвостовые фрезы закрепляют непосредственно в конусе шпинделя или в цанговом патроне. При нарезании спиральных канавок стол поворачивают на угол наклона канавки. При работе на тяжелых режимах для повышения жесткости консоли устанавливают
дополнительную связь (Г). Заготовке, установленной на столе можно сообщить
движения в трех направлениях: вертикальное (за счет консоли); поперечное
(движением поперечных салазок); продольное (перемещением стола). Движения во всех трех направлениях можно осуществить: а) вручную; б) с рабочей
(медленной) механической подачей; в) с большой скоростью (наладочные механические перемещения).
Кинематическая структура станка 6Р81 (см. кинематическую схему станка).
Вращение фрезе сообщается от электродвигателя N=5,5 кВт, n=1450 об/мин,
через коробку скоростей, обеспечивающую восемь передаточных отношений клиноременную передачу и перебор, удваивающий количество скоростей.
Высокие числа оборотов (без перебора) передаются шпинделю напрямую, когда муфта М1 включена, а шестерни 66 и 25 выведены из зацепления.
Запишем уравнение кинематического баланса:
24 / 38
nшп  1450 
35 / 24 28 / 34 24 140  30 25 

 


21 / 38 31 / 31 24 210  66 71  , об/мин.
34 / 28
Передаточное отношение перебора:
30 25
1

 0,16 
.
66 71
6,25
Теперь легко можно найти все 16 чисел оборотов шпинделя, например:
251
21 24 24 140 30 25
  
 
 50 , об/мин;
38 38 24 210 66 71
35 34 24 140
 1  1600 , об/мин.
nmax= 1450    
24 28 24 210
Механизм подач, расположенный в консоли, обеспечивает 16 различных подач
в продольном, поперечном (столу) и вертикальном (консоли) направлениях, в
также быстрые (наладочные) движения в этих же направлениях с постоянной
скоростью.
Коробка подач обеспечивает 16 передаточных отношений:
28 / 34
nmin= 1450 
iкп 
24 / 38 31 / 31 18 / 15


38 / 24 34 / 28 18 / 37 ;
38 / 24
iкпmin 
24 28 18
  ;
38 34 37
iкпmax 
38 38 18
  .
24 24 15
2
и обгонную муфту
36
Мо, шестерни 22-42-42 на распределительную шестерную 42, связанную с валом предохранительной муфтой Мп.
Этот узел называется коробкой реверсов; его назначение - изменять направление вертикальной и поперечной подач.
Легко видеть, что левые шестерни 42-42, будут вращаться с той же скоростью,
что и правые шестерни 42-42, но в обратном направлении (z=30 - паразитная
шестерня).
Муфты М3 и М4 служат для реверсирования соответственно вертикальной и поперечной подач.
Реверсирование продольной подачи стола осуществляется муфтой М5 и коническим трензелем.
Запишем кинематические цепи подач:
а) вертикальной
2 22 42 15
S B  1420  iкп      6 , мм/мин;
36 42 42 30
б) поперечной
2 22 42
S поп  1420  iкп     6 , мм/мин;
36 42 42
в) продольной
2 22 42 30 35 14 19
S пр  1420  iкп         6 , мм/мин.
36 42 30 33 19 28 19
Далее движение передается через червячную передачу
252
Отметим, что в отличие от токарных и сверлильных станков у фрезерных станков привод на подачу независимый, то есть не связан со шпинделем. Поэтому и
размерность подачи не мм/об, а мм/мин.
Быстрые (наладочные) перемещения с постоянной скоростью осуществляются
от двигателя подач, минуя коробку подач через винтовые колеса 12-24, фрикционную муфту М2 и далее по рабочим цепям подач, рассмотренным выше.
При быстром вращении вал благодаря наличию обгонной муфты М0 автоматически расцепляется с корпусом червячного колеса 36.
Скорость быстрых перемещений стола в продольном направлении выражается
следующим отношением:
S уск  1420 
12 22 42 30 35 14 19
       6 ≈2610 мм/мин.
24 42 30 33 19 28 19
9.5 Строгальные и шлифовальные станки
Назначение ТХ и составные части строгального станка
В производстве и ремонте ракетно-артиллерийского вооружения металлорежущие станки и, в частности, строгальные станки находят самое широкое
применение. На строгальных станках обрабатывают направляющие, полозки,
казенники, клинья, станки и др. детали с плоскими поверхностями, пазами и
т.п.
Строгальные (и их разновидность - долбежные) станки относятся к седьмой группе по классификации ЭНИМС. Эти станки характеризуются тем, что
исполнительное движение формообразования у них состоит из линейного возвратно-поступательного движения со скоростью резания и прямолинейного периодического движения подачи. У одних станков движение резания совершает
заготовка (продольно-строгальные), у других - режущий инструмент (поперечно-строгальные, долбежные).
Назначение станков 7 группы. Станки этой группы предназначены для
выполнения следующих работ:
1. Обработка вертикальных, горизонтальных, наклонных плоскостей и
лысок (инструмент - проходные резцы токарные и специальные строгальные).
2. Обработка несложных фасонных поверхностей с прямолинейными образующими (фасонные резцы).
3. Прорезка всевозможных прямолинейных пазов, канавок и выемок
(прорезные и канавочные резцы).
4. Обработка внутренних гранных поверхностей (долбежные станки).
5. Протягивание и прошивание отверстий (протяжные станки).
Эти станки широко применяются в условиях мелкосерийного, индивидуального и ремонтного производства. Важными их достоинствами перед фрезерными станками являются чрезвычайная простота и малая стоимость режущего
инструмента.
253
Типы станков 7-ой группы. В соответствии с общей классификацией
МРС седьмая группа разбита на типы:
1, 2 - продольно-строгальные (одно- и двухстоечные);
3 - поперечно-строгальные;
4 - долбежные (вертикально-строгальные);
5 - протяжные горизонтальные;
7 - протяжные вертикальные;
9 - разные.
Продольно-строгальные станки предназначены для обработки горизонтальных, вертикальных плоскостей, а также фасонных и линейчатых поверхностей у крупных заготовок большой длины в единичном и серийном производстве. На этих станках могут быть также одновременно обработаны несколько
заготовок средних размеров, установленные рядами на столе. Главное движение у этих станков - прямолинейное возвратно-поступательное движение стола
с заготовкой в горизонтальном направлении от реечного механизма. Заготовка
закрепляется на столе станка, совершающего возвратно-поступательное движение резания (главное движение) мимо неподвижного резца. Стружка снимается
резцом только при рабочем ходе стола - вперед. Подача резца происходит при
обратном (холостом) ходе стола - назад. В результате обработки на продольнострогальном станке получаются очень точные поверхности, которые поддаются
пришабриванию лучше, чем фрезерованные. Модели станков: 7208, 7210 - 7250
(двухстоечные); 7108, 7110, 7112, 7116 (одностоечные).
Поперечно-строгальные станки предназначены для обработки строганием горизонтальных, вертикальных плоскостей, линейчатых и фасонных поверхностей, а также пазов различного профиля у заготовок небольших размеров
и средней массы в условиях единичного и мелкосерийного производства.
Заготовку крепят на консольном столе, а резец - в резцедержателе ползуна, совершающего возвратно-поступательное движение резания (главное движение). Поперечная подача обычно сообщается столу с заготовкой, а вертикальная - каретке резцедержателя.
Наиболее характерным размером поперечно-строгальных станков является максимальная длина хода ползуна (в современных станках от 200 до 2400
мм). Модели станков: 7A311, 7АЗЗ, 7Б35, 7М37, СПС-01.
Долбежные станки служат для обработки фасонных отверстий (квадратных, шестигранных, шлицевых и других), прорезки внутренних шпоночных пазов, канавок и т.п.
Основное отличие этих станков от поперечно-строгальных в том, что
главное возвратно-поступательное движение резца происходит в вертикальной
плоскости, перпендикулярно рабочей поверхности плиты. Поэтому долбежные
станки иногда называют вертикально-строгальными.
Движение подачи в долбежных станках осуществляется путем продольной, поперечной или круговой подачи стола с заготовкой.
Характерными размерами долбежных станков являются:
а) наибольший ход ползуна (долбяка) 100 - 1600 мм,
254
б) диаметр стола (240 - 1600 мм).
Модели станков: 7A4I2, 7Б420, 743, 745М, 747М.
Обозначения станков рассмотрим на примере станка 7Б35:
7 - номер группы,
Б - очередная модернизация базовой модели,
3 - номер типа (подгруппы),
5 - наибольший ход ползуна (500 мм).
Технические характеристики поперечно-строгального станка 7Б35
Наибольший номинальный ход ползуна, мм……………………………………..500
Размеры рабочей площади стола, мм………………………………………...500×360
Количество двойных ходов ползуна в минуту,……………………………………...8
Пределы двойных ходов ползуна в минуту, дв.ход/мин…………………..12,5 - 138
Количество подач стола в поперечном направлении………………………………16
Пределы подач стола в поперечном направлении, мм/дв.ход………………0,3 - 4,8
Количество вертикальных подач суппорта………………………………………….6
Пределы вертикальных подач суппорта, мм/дв.ход………………………0,167 - 1,0
Наибольшее перемещение суппорта, мм………………………………………….160
Мощность электродвигателя, кВт………………………………………………….5,5
Составные части станка. Основными составными частями поперечнострогальных станков являются (рисунок 9.10): основание, станина, ползун с
суппортом, стол, коробка скоростей, кулисный механизм, механизм подачи
стола, механизм вертикальной подачи суппорта.
1. Фундаментная плита или основание станка (А).
2. Станина станка (Б) представляет собой литой чугунный корпус коробчатой формы с внутренними ребрами жесткости, К верхней части станины
прикреплены направляющие в форме ласточкина хвоста, по которым перемещается ползун, а к передней стенке станины - плоские направляющие для вертикального перемещения стола.
3. Ползун (В) представляет собой пустотелую отливку с внутренними ребрами жесткости. Ползун связан с кулисой посредством серьги 3, пальца 2, гайки 1 и винта 23. Винт 23 служит для установки вылета ползуна, обеспечивающего обработку в требуемом месте. Для этого ослабляют рукоятку 22 и вращением валика 4 или винта 23 устанавливают нужный вылет, после этого закрепляют гайку 1 ручкой 22.
255
Рисунок 9.10 – Поперечно-строгальный станок модели 7Б35
4. К передней части ползуна крепится суппорт.
Суппорт состоит из: 1) поворотной части; 2) салазок, получающих вертикальное перемещение от ходового винта; 3) резцовой каретки и откидной доски
(подушки), на которой крепится резцедержатель.
5. Стол станка (Г) служит для установки обрабатываемых изделий в
тисках или непосредственно на столе при помощи Т-образных пазов.
Стол может получать перемещения: а) вертикальное вручную, б) горизонтальное – вручную; в) автоматическую подачу (прерывистую), г) наладочное движение (непрерывно-ускоренное).
6. При больших нагрузках применяют подставку (стойку), отрегулировав
ее по высоте винтами.
7. Коробка скоростей передает движение от электродвигателя кулисной
шестерне, сообщая последней восемь различных скоростей вращения за счет
переключения двух двойных блоков и перебора.
8. Кривошипно-кулисный механизм (см. рисунок 9.4, а) преобразует вращательное движение кулисной шестерни в возвратно-поступательное движение
ползуна.
Кулисный камень, установленный в призматических направляющих кулисной шестерни, входит в направляющий паз, расположенный вдоль кулисы 2.
256
Камень с помощью винта и рукоятки может двигаться вдоль радиуса кулисной шестерни, приближаясь или удаляясь от центра шестерни. Это позволяет изменять угол качания кулисы (длину хода ползуна).
При вращении кулисной шестерни палец описывает окружность, увлекая
за собой камень, который перемещаясь в направляющих кулисы, заставляет ее
качаться вокруг нижней оси О2.
Верхний конец кулисы шарнирно связан с ползуном. Кулиса, совершающая качательное движение, сообщает ползуну возвратно-поступательное перемещение.
Время хода ползуна вперед будет всегда больше, чем время хода назад
(). Путь же остается одинаковым, следовательно, средняя скорость рабочего
хода будет существенно меньше скорости холостого хода (см. график на рисунке 9.4, б).
Vp
m
 0,75 .
Vx
Максимальная скорость рабочего хода ползуна выражается зависимостью
раб
Vmax

2  n  R  L
, м/мин.
1000  (2R  L)
Максимальная скорость холостого хода:
хол
Vmax

2  n  R  L
1000(2 R  L) , м/мин.
Здесь: n - число двойных ходов в минуту, (об/мин шестерни);
R - радиус качания кулисы;
L – длина хода ползуна;
9. Механизм подачи стола осуществляет поперечную подачу стола, а
также его ускоренное перемещение. Этот механизм смонтирован в отдельном
чугунном корпусе, установленном на боковой стенке станины.
10. Механизм подачи суппорта. В поперечно-строгальных станках для
вертикальной автоматической подачи суппорта используют храповые механизмы. Этот механизм монтируется на боковой стороне ползуна. Движение автоматической подачи осуществляется при обратном (холостом) ходе ползуна, когда рычаг 5 находит на кулачок 6, привернутый к станине.
Рычаг 5 поворачивает через тягу рычаг с собачкой. Собачка сцепляется с
храповым колесом, которое шестернями связано с ходовым винтом вертикальной подачи.
Изменение величины подачи осуществляется либо: а) изменением размаха качания рычага с собачкой; б) при постоянном размахе качания рычага перекрытием части зубьев храпового колеса специальным кольцом (станок 7Б35).
Кинематика станка. Движения в поперечно-строгальном станке следующие:
1. Главное движение - прямолинейное возвратно-поступательное движение ползуна с поворотным суппортом и резцом.
257
2. Движения подач:
- прерывистое прямолинейное поступательное перемещение стола с обрабатываемой заготовкой в поперечном направлении;
- прерывистое прямолинейное поступательное перемещение суппорта с
резцом в вертикальном направлении.
3. Вспомогательные движения:
- быстрые механизированные и ручные установочные перемещения стола
в поперечном направлении;
- радиальное перемещение кулисного камня для изменения длины хода
ползуна;
- поступательное перемещение ползуна относительно кулисы для изменения места хода ползуна;
- поворот суппорта в вертикальной плоскости.
Рассмотрим кинематику основных движений.
Цепь главного движения (см. кинематическую схему станка модели
7Б35).
Движение от электродвигателя передается через клиноременную передачу на приводной шкив станка. При включении дисковой фрикционной муфты
вращение передается на вал коробки скоростей с двумя двойными блоками, переключением которых второй вал коробки скоростей получает четыре скорости
вращения. Переключением блока шестерен 16-48 (шестерня 48 находится в постоянном зацеплении с широкой шестерней 15) можно удвоить полученное ранее количество скоростей вращения кулисной шестерни. Кулисный механизм
преобразует вращательное движение, получаемое от коробки скоростей в возвратно-поступательное движение ползуна. Качающаяся кулиса сообщает ползуну неравномерную скорость хода. Скорость холостого хода ползуна значительно выше, чем рабочего, что обеспечивает экономию времени на непроизводительные холостые хода.
Для расчета чисел двойных ходов в минуту запишем уравнение кинематического баланса.
18 / 43
 15 16 
23
/
38
 

148
nдв. х / м ин  1450 

  48 107  , дв.ход/мин.
336 28 / 33  15  48 
33 / 28  48 80 
Определим экстремальные значения скорости главного движения:
148 18 15 16
 

 12,5 , дв.ход/мин;
336 43 48 107
148 33 15 48
nmax  1450 
  
 138 , дв.ход/мин.
336 28 48 80
n min  1450 
Кинематика станка обеспечивает следующий ряд чисел двойных ходов в
минуту:
12,5; 18; 25; 34,5; 49; 71; 100; 138.
Это геометрический ряд со знаменателем:
258

ni 1
18
25


 1,41 .
ni
12,5 18
Цепь подач стола. Подача стола в поперечном направлении происходит
во время холостого хода ползуна с помощью храпового механизма. При включении муфты (по схеме вниз) прерывистое движение передается от храпового
колеса 64 коническим шестерням 30-27, далее через предохранительное
устройство и конический трензель - двухзаходному ходовому винту с шагом t =
6 мм. Конический трензель служит для реверсирования подачи.
Величина подачи стола зависит от угла поворота храпового колеса, то
есть от количества захватываемых собачкой зубьев. При наибольшем размахе
качания колесо поворачивается на 16 зубьев, при наименьшем - на 1 зуб.
Таким образом, уравнения для расчета величины подачи будут иметь
следующий вид:
1 30 36

  2  6  0,3 , мм/дв.ход;
64 27 25
2 30 36
S2 

  2  6  0,6 , мм/дв.ход;
64 27 25
16 30 36
S16  S max 

  2  6  4,8 , мм/дв.ход.
64 27 25
S1  S min 
Очевидно, что ряд подач – арифметический.
Стол получает ускоренное перемещение при наладке, если включить
муфту подачи вверх (по схеме). В этом случае винт подачи получит передачи
15-32 и 15-15. Скорость быстрого перемещения стола определяется по формуле:
148 30 15 15 16 30 36
V уск  1450 
   

  2  6  2200 , мм/мин.
336 30 32 15 40 27 25
Цепь подач суппорта. При холостом ходе ползуна рычаг механизма подач, попадая на кулачок поворачивает храповое колесо Z=45. Далее движение
передается на конические колеса 33-22, 22-22 и на винтовую передачу с шагом
t=5 мм. Максимальный размах качания храпового колеса соответствует его шести зубьям.
Регулирование подачи при постоянном размахе качания рычага производится за счет перекрытия части зубьев (из шести) специальным кольцом.
Запишем формулы для расчета экстремальных величин подач суппорта:
1 33 22
   5  0,167 , мм/дв.ход;
45 22 22
6 33 22
S6 
   5  1,000 , мм/дв.ход.
45 22 22
S1 
Установка вылета ползуна. Вращением кривошипной рукоятки, надеваемой на квадратный конец валика зубчатого колеса 22 и винта перемещают
ползун относительно обрабатываемого изделия, устанавливая тем самым вылет
(место хода) ползуна.
Установка длины хода ползуна. Длина хода ползуна регулируется в пределах 20-500 мм смещением пальца камня кулисы относительно центра враще259
ния вала кулисного механизма. Для этого поворачивают кривошипной рукояткой валик с зубчатым колесом 16 и колеса 18-18-18 действуя на винт и гайку.
Спецификация органов управления: I - рукоятка вертикального перемещения стола; 2 – рукоятка горизонтального (поперечного) перемещения стола; 3 рукоятка реверсирования подачи стола; 4 - рукоятка вертикального перемещения суппорта; 5 - рукоятка установки величины подачи суппорта; 6 - копир подачи суппорта; 7 - рукоятка включения фрикциона (ход ползуна); 8 - рукоятка
зажима ползуна; 9 - рукоятка установки величины подачи стола; 10 - рукоятка
ускоренного перемещения стола; 11 - рукоятка установки длины хода ползуна;
12 - рукоятка переключения перебора; 13 - рукоятка переключения скоростей;
14 - рукоятка замка электрошкафа; 15 - рукоятка поворота шестерен коробки
скоростей.
Назначение, ТХ и составные части плоскошлифовального станка
Шлифовальные (а также полировальные, доводочные, заточные) станки
относятся к третьей группе металлорежущих станков и предназначены для
окончательной обработки деталей вооружения абразивными инструментами, а
также для заточки всевозможного инструмента. Основными особенностями
станков этой группы являются:
1. Возможность достижения наиболее высокого (по сравнению с другими
станками) качества поверхностей и точности размеров.
2. Возможность обработки твердых, закаленных и неметаллических материалов, обработка которых другими способами затруднена.
3. Высокие требования к точному выполнению механизмами станка всех
необходимых движений (за исключением простых заточных).
Назначение шлифовальных станков. Область применения процессов
шлифования весьма широка. На шлифовальных станках выполняют:
а) точную обработку плоскостей, поверхностей вращения, зубьев зубчатых колес и реек, винтовых, фасонных поверхностей и т.п.;
б) заточку всевозможного инструмента;
в) обдирку, разрезку и отрезку заготовок.
Это практически все ответственные детали артиллерийского вооружения
(детали ПОУ, валы, оси, казенники, детали затвора и многое другое).
В зависимости от формы обрабатываемой поверхности и вида шлифования различают следующие типы станков:
1. Круглошлифовальные станки (тип I) предназначены для наружного
шлифования цилиндрических и конических поверхностей.
Круглошлифовальные станки характеризуются наибольшим диаметром
(100–1600 мм) и длиной (150–12500 мм) обрабатываемой детали.
Например, станок модели ЗБ12 – станок круглошлифовальный с максимальным диаметром обработки 200 мм и наибольшей длиной заготовки 500 мм.
260
К первому типу относятся также бесцентрово-шлифовальные станки, работающие двумя кругами, из которых один производит обработку детали, а
другой - ее круговую и продольную подачу.
2. Внутришлифовальные станки (тип 2) предназначены для шлифования
отверстий цилиндрической и конической формы. На этих же станках можно
шлифовать торцы.
По расположению шпинделя различают горизонтальные и вертикальные,
по характеру движения круговой подачи - обычные и планетарные.
В станках обычного типа имеются следующие основные движения: I)
вращение шлифовального круга, 2) круговая подача заготовки, 3) продольная
подача заготовки или круга, 4) поперечная подача круга на врезание Sв.
В станках планетарного типа, предназначенных для обработки отверстий
в заготовках несимметрической формы и тяжелых, круговая подача создается
вращением оси шлифовального круга относительно оси обрабатываемого отверстия по окружности. Шпиндели внутри шлифовальных станков работают с
высокими и сверхвысокими угловыми скоростями (до 150000 об/мин). Поэтому
часто применяют электрошпиндели с приводом от высокочастотного электродвигателя, расположенного соосно со шпинделем.
3. Плоскошлифовальные станки (тип 7) предназначены для обработки
плоскостей и фасонных прямолинейных поверхностей. Наиболее распространены плоскошлифовальные станки двух типов: горизонтальные (шлифование
производятся периферией круга) и вертикальные (работают торцем круга).
Станки обоих типов могут иметь прямоугольный или круглый стол. В первом
случае шлифование идет при возвратно-поступательном движении заготовок, а
во втором - при круговой подаче. Шлифование торцем круга отличается большей производительностью. В станках с прямоугольным столом продольная подача обычно осуществляется от гидропривода.
Пример. Станок 3Г71В – станок плоскошлифовальный горизонтального
типа (шлифует периферией круга) с прямоугольным столом (цифра 1 показывает условно размеры обрабатываемой детали).
4. Заточные станки (тип 6) служат для заточки режущего инструмента.
Различают следующие разновидности этих станков:
1) универсально-заточные станки для заточки инструментов всех видов;
2) специальные станки, предназначенные для заточки определенного вида
инструмента (станки для заточки сверл, протяжек, червячных фрез и т.д.);
3) заточные станки простейших конструкций для заточки инструмента
вручную.
Приведенные типы станков далеко не исчерпывают всего разнообразия
станков шлифовальной группы.
Назначение станка. Универсальный плоскошлифовальный станок высокой точности с горизонтальным шпинделем и прямоугольным столом модели
ЗГ71В предназначен для обработки плоскостей и прямолинейных фасонных
поверхностей периферией круга. В определенных границах (в зависимости от
выступающей части шлифовального круга из защитного кожуха) возможна об261
работка поверхностей, расположенных под углом 900 к зеркалу стола. С применением специальных приспособлений возможно профильное шлифование различных деталей. Точность профиля при этом зависит от точности заправки круга и точности приспособления.
Технические характеристики станка
Наибольшие размеры шлифуемых изделий, мм
длина……..……………………………………………………….…………630
ширина………………………………………………………………………200
высота……………………………………………………………………….320
Частота вращения шлифовального круга, об/мин………………………………2700
Размеры шлифовального круга, мм……………………………………….250×25×75
Окружная скорость шлифовального круга, м/с……..……………………………..35
Поперечная подача стола, мм/дв.ход….…………………………………….…..0,3–4
Скорость продольного перемещения стола, м/мин……………………………..5–20
Вертикальная подача шлифовальной бабки, мм/дв.ход………………….0,05–0,005
Ускоренное перемещение шлифовальной бабки, м/мин………………………..0,27
Мощность электродвигателей, кВт
главного движения………………………………………………………….1,7
гидропривода………………………………………………………………..1,0
ускоренного перемещения головки………………………………………0,18
системы охлаждения………………………………………………………0,12
Составные части станка (см. рисунок 9.11).
1. Станина (А) представляет чугунную коробчатую отливку, внутри которой располагается гидропривод. На верхней части станины закреплены две
стальные V - образные направляющие, по которым перемещается в поперечном
направлении крестовый суппорт,
2. Колонна (Б) представляет собой жесткую отливку бочкообразной формы, на которой монтируется шлифовальная головка (бабка) и механизм ее
ускоренного перемещения.
3. Шлифовальная головка или бабка (В) несет на себе шлифовальный
круг, главный привод, привод вертикальной подачи головки (ручной и автоматической).
4. Крестовый суппорт (Д) отлит из чугуна. В нижней части суппорта
простроганы две V-образные направляющие для перемещения по станине в поперечном направлении; в верхней части одна V-образная, вторая плоская для
стола. Внутри крестового суппорта размещены гидрокоммуникации, распределительная панель, механизм продольного реверса стола, механизм поперечной
подачи, механизм поперечного реверса стола, механизм продольного ручного
перемещения стола. Между верхними направляющими установлен гидроцилиндр продольной подачи.
5. Стол (Г) служит для закрепления на нем обрабатываемой заготовки с
помощью электромагнитной плиты или другого приспособления. Стол может
получать возвратно-поступательное движение (продольная подача) как вручную, так и автоматически.
262
6. Система охлаждения.
7. Гидравлический агрегат и электроаппаратура.
Органы управления: 1 – установка величины автоматической вертикальной подачи; 2 – маховик ручной вертикальной подачи; 3 – упоры продольного реверса стола; 4 – регулятор скорости движения стола; 5 – ручное продольное реверсирование стола; 6 – ручная поперечная подача стола; 7 – микрометрическая поперечная подача стола; 6 – установка величины автоматической
поперечной подачи; 9 – включение и реверсирование поперечной подачи; 10 –
кнопки "Пуск" и "Стоп" стола; 11 – ручное продольное перемещение стола; 12
– кнопка "Пуск" шпинделя; 13 – кнопка "Все стоп"; 14 – переключатель магнитной плиты; 15 – переключатель ускоренного перемещения шлифовальной
головки; 16, 17 – кнопки "Пуск" и "Стоп" гидропривода; 18 – лампочка сигнализации "Станок включен"; 19 – переключатель освещения; 20 – переключатель
работы с плитой и без нее; 21 – пакетный выключатель (сзади станка).
Рисунок 9.11 – Плоскошлифовальный станок 3Г71В
Принцип работы станка. Абразивный круг формы ПП (или соответственно заправленный) закрепляют на конце шпинделя шлифовальной бабки.
Шлифуемую деталь в зависимости от формы и размеров крепят либо на магнитной плите, либо непосредственно на столе станка. Стол с изделием получает
прямолинейное возвратно-поступательное движение в продольном направлении. Длина и место хода стола определяются длиной и расположением на столе
263
шлифуемого изделия и ограничиваются переставными упорами, которые закрепляют винтами в нужных местах. При шлифовании деталей, ширина которых больше ширины круга, шлифовальной бабке сообщается периодическая
поперечная подача после каждого или двойного хода стола. После каждого
прохода шлифовальной бабке сообщается вертикальная подача до полного снятия всего припуска, после чего рекомендуется несколько проходов без подачи
(процесс "выхаживания").
Кинематика станка (см. кинематическую схему станка модели 3Г71В).
Главное движение совершает шлифовальный круг от отдельного электродвигателя (N= 1,7 кВт, n = 2800 об/мин) через ременную передачу с одинаковыми шкивами. С учетом проскальзывания ремня шпиндель вращается с n =
2700 об/мин, что соответствует скорости резания V = 35 м/с (при диаметре круга 250 мм).
Движения подач:
а) Вертикальная подача шлифовальной бабки может быть ручная (от маховика Ш через червячную передачу 1-40) или автоматическая (от гидропривода). Ускоренное вертикальное перемещение шлифовальной головки осуществляется от отдельного электродвигателя (N=0,18 кВт, n = 1400 об/мин) через
червячную пару 1-28.
б) Поперечная подача крестового суппорта может быть ручная (от маховика IX через винт с шагом t = 6 мм и гайку) или автоматическая от лопастного
гидромотора, сидящего на валу ХП, через храповое колесо 54, шестерни 54-4040 и винтовую пару с шагом t=6 мм. Регулировка величины автоматической
поперечной подачи производится рукояткой, сидящей на валу XIII через шестерни 40-40.
в) Продольная подача (возвратно-поступательное перемещение стола)
осуществляется гидравлически. Масло под давлением поступает в одну из полостей гидроцилиндра продольной подачи (он закреплен на крестовом суппорте, а шток гидроцилиндра связан со столом), другая в это время соединяется со
сливом. Реверс стола в конце каждого хода производится механизмом.
Ручное перемещение стола осуществляется от маховика VI через шестерни 13-27-13-26-20 и рейку m = 1,5 мм, закрепленную на столе. Продольный реверс стола осуществляется от кулачка XIV, закрепленного на столе, через шестерни 36-44, Шестерня 44 посажена на оси, связанной с золотником управления гидропанели ВШПГ-35.
Подготовка станка к работе заключается в следующем:
1. Установить и закрепить деталь. Закрепление детали на магнитной плите производится поворотом тумблера на пульте в положение "Плита включена".
2. В зависимости от размеров шлифуемой детали установить кулачки
продольного реверса так, чтобы продольный ход стола был больше длины детали на 80–100 мм. Кулачки механизма продольного реверса стола устанавливают посредством упоров, которые закреплены в пазу стола рукояткой.
264
При движении стола упор находит на кулачок, сидящий на одной оси с
шестерней и поворачивает его. Шестерня находится в постоянном зацеплении с
шестерней, которая закреплена на валике гидропанели и перемещает золотник
реверса гидропанели в ту или иную сторону.
3. Включить поочередно привод шлифовального круга и гидропривод.
4. Дроссельный кран гидропанели установить в положение "Пуск".
5. Рукоятку "Скорость стола" медленно вывести из положения "Меньше",
постепенно увеличивая скорость стола.
6. При скорости стола 8–10 м/мин подвести круг к изделию, вначале
пользуясь механизмом ускоренного перемещения, а затем вручную до искры.
7. В случае работы с автоматической поперечной подачей установить ее
необходимую величину.
8. В случае работы с автоматической вертикальной подачей установить ее
необходимую величину.
9. Маховиком 2 (см. рисунок 9.3) произвести вертикальную подачу.
10. Увеличить скорость стола до необходимой.
11. Установить рукояткой 8 требуемую поперечную подачу.
12. Включить рукояткой 9 автоматическую поперечную подачу в ту или
иную сторону, в зависимости от того, с какой стороны начинается шлифование.
Для получения высокой точности рекомендуется шлифование производить вначале черновым проходом, а затем одним – двумя чистовыми проходами с вертикальной подачей не более 0,01 мм.
Следует шлифовать при обильном охлаждении и применять соответствующие по характеристике шлифовальные круги. При шлифовании мягких материалов необходимо применять более твердые круги, а при обработке твердых и
закаленных материалов – круги на 1–2 степени мягче (исключение составляют
такие весьма мягкие и вязкие материалы, как свинец, медь и другие, для обработки которых применяют мягкие круги). Так, для шлифования алюминиевых,
медных, твердых сплавов применяют круги из карбида кремния, а для инструментальных и конструкционных сталей – электрокорундовые круги.
В процессе шлифования режущие свойства кругов изменяются: абразивные зерна изнашиваются, затупляются, частично раскалываются, поры между
зернами заполняются шлифовальными отходами. Возрастает сила резания. Поверхность круга вследствие неравномерного износа теряет свою первоначальную форму, и точность обработки снижается.
Для восстановления режущих свойств абразивные инструменты подвергают правке, чаще всего алмазом при обильном охлаждении. Алмаз, укрепленный в специальной державке, перемещается вручную или автоматически с
движением подачи относительно вращающегося круга. Толщина удаляемого
слоя шлифовального круга обычно не превышает 0,01–0,03 мм. На некоторых
станках круги правят вращающимися алмазными роликами. Время непрерывной работы инструмента между двумя правками характеризует период его
стойкости. В зависимости от требований к качеству обработки и режимов резания стойкость инструмента ориентировочно составляет 5–40 минут.
265
Перед установкой на шпиндель станка круги подвергают контролю. На
кругах диаметром более 150 мм должна быть обозначена максимально допустимая окружная скорость. Каждый круг предварительно испытывают на специальных станках со скоростью, в 1,5 раза превышающей указанную в маркировке.
Если в процессе шлифования по ряду причин масса круга распределена
неравномерно относительно оси вращения, возникает вибрация станка, на обработанной поверхности появляется характерная волнистость. Шлифование на
станке становится опасным, так как круг начинает работать с ударами и может
разорваться. Круги должны быть сбалансированы. Процесс балансировки
предусматривает устранение неуравновешенности массы круга относительно
оси шпинделя станка. Круг вместе с закрепляющими его фланцами монтируют
на балансировочной оправке и устанавливают на опорах так, чтобы он мог свободно поворачиваться относительно оси вращения. В процессе балансировки
неуравновешенность устраняется перемещением специальных грузиков, расположенных на фланцах.
266
10 ТЕХНОЛОГИИ МАТЕРИАЛОВ ТРИБОТЕХНИЧЕСКОГО
НАЗНАЧЕНИЯ
10.1 Композиционные материалы триботехнического назначения
с полимерными матрицами и наполнителями
из высокодисперсных частиц слоистых модификаторов трения
В планах развития экономики России обращается внимание на систематическое повышение производительности труда, разностороннее повышение
технического уровня изделий посредством внедрения инновационных разработок, улучшение качества, долговечности и надежности механизмов и машин.
Повышение скоростей и нагрузок в узлах трения современных механизмов и машин требует повышения качества трущихся поверхностей, поскольку
это определяет износостойкость, усталостную прочность и, в конечном счёте,
долговечность. Известно [9], что наибольшая долговечность деталей и узлов
достигается при более широком применении прогрессивной технологии (химико-термического, термомеханического, механического и электромеханического
упрочнения, поверхностного легирования и др.), покрытий поверхностей трения упрочняющими и защитными материалами.
В настоящее время существует много разновидностей покрытий различного назначения и состава, которые классифицируют по различным основаниям. Например, классификация покрытий по материалу: керамические покрытия,
металлические покрытия, металлокерамические покрытия, наноструктурированные покрытия, композиционные покрытия, полимерные покрытия (полиамидные покрытия, полиимидные покрытия и др.). Классификация покрытий
по назначению: антикоррозионные покрытия, износостойкие покрытия, антифрикционные покрытия, антиадгезионные покрытия, жаропрочные и жаростойкие покрытия, термобарьерные покрытия, диэлектрические покрытия,
электропроводные покрытия, уплотнительные покрытия. Классификация покрытий по основному металлу покрытия: цинковые покрытия, алюминиевые
покрытия, покрытие нержавеющими сталями, покрытие никелем и его сплавами, покрытие медью. Важной разновидностью с точки зрения трибологии являются композиционные покрытия с полимерными матрицами и наполнителями из наночастиц слоистых модификаторов трения (твёрдых смазочных материалов). По приведённым классификациям данные покрытия относятся к полимерным, композиционным, наноструктурированным покрытиям и к покрытиям
триботехнического назначения (износостойкие покрытия, антифрикционные
покрытия).
Известно [10, стр.177], что полимерные материалы широко применяются
в узлах трения современных машин и механизмов. Их применение позволяет
увеличить надежность и ресурс машин, улучшить их эксплуатационные, технико-экономические характеристики и технологичность, отказаться от дефицитных сплавов цветных металлов и снизить стоимость машин.
267
Пластмассы подразделяются на термопластичные и термореактивные. К
термопластичным относятся пластмассы с линейной или разветвленной структурой полимеров, свойства которых обратимо изменяются при многократном
нагревании и охлаждении. К термореактивным пластмассам относятся полимеры, в которых при термическом воздействии возникают реакции химического
связывания цепных молекул друг с другом с образованием сетчатого строения.
Такие пластмассы не могут переходить в пластичное состояние при повышении
температуры без нарушения пространственных связей в структуре полимера.
Полимеры (термопластичные и термореактивные) могут использоваться в
качестве антифрикционных материалов как в чистом виде, так и в виде композиционных материалов с различными наполнителями. Из полимерных материалов изготовляют зубчатые колеса, шкивы, трущиеся элементы подшипников
скольжения, кулачковых механизмов, направляющих, уплотнений, сепараторы
шарикоподшипников, втулки шарниров и т.д.
Антифрикционные материалы на основе термопластов отличает высокая
технологичность, низкая себестоимость, хорошие демпфирующие свойства.
Детали из термопластов изготовляют высокопроизводительными методами литьем под давлением и экструзией; крупногабаритные детали - центробежным
литьем, ротационным формованием, анионной полимеризацией мономера
непосредственно в форме, нанесением антифрикционных покрытий из расплавов, порошков, дисперсий.
Термореактивные полимеры обрабатываются преимущественно методами
компрессионного и литьевого прессования, они более прочны и термостойки.
Порошкообразные термореактивные композиции наносят на трущиеся поверхности деталей в виде тонких покрытий [10, стр.178].
В качестве антифрикционных термопластичных материалов наиболее
широко используют полиамиды (капрон, П68, П6, П12 и др.), обладающие низким коэффициентом трения и высокой износостойкостью и работающие при
температуре от –40С до +80С. К недостаткам полиамидов следует отнести их
относительно высокое водо- и маслопоглощение. Деталям из полиамидов свойственна хорошая сопротивляемость воздействию циклических нагрузок, возможность работы без смазки в паре с закаленной сталью. Коэффициент трения
полиамидов по стали без смазки 0,10,2, со смазкой маслом - в пределах
0,050,10.
Для повышения механических свойств полиамиды армируют волокнистыми и другими материалами, а для улучшения антифрикционных свойств в
них вводят различные твердосмазочные графитоподобные компоненты.
В качестве последних применяют графит, дисульфид молибдена, тальк,
термоантрацит, а в качестве армирующего наполнителя - мелконарубленное
стекловолокно или измельченное углеродное волокно.
Температурный коэффициент линейного расширения и водопоглощение
наполненных полиамидов в 1,54,0 раза меньше, коэффициент трения без смазки в 1,22,0 раза больше, а интенсивность изнашивания в 25 раз ниже, чем у
268
ненаполненных полиамидов. Полиамиды применяют также в качестве тонкослойных покрытий металлических деталей.
В приборо- и машиностроении для изготовления деталей узлов трения
широко применяют фторопласты и композиционные материалы на основе фторопластов. Фторопласты отличаются высокой химической стойкостью, высокой
температуростойкостью (до 300 С), а также сохраняют работоспособность, не
охрупчиваясь при охлаждении до –250 С.
На фторопласты практически не действуют кислоты, окислители, щелочи,
растворители. При температуре выше 350С фторопласты реагируют с некоторыми металлами и окислами. Коэффициент трения фторопластов, особенно
фторопласта-4 (0,030,05) находится на уровне значений коэффициента трения
металлических пар в гидродинамическом режиме скольжения.
Применение фторопластов в чистом виде без наполнителей весьма ограничено вследствие низкой прочности и износостойкости. В машиностроении
используются в основном композиционные материалы. Введение различных
наполнителей (кокс, графит, дисульфид молибдена, металлические порошки,
стекловолокно, углеродное волокно) в количестве 1545% по массе позволяет
значительно повысить прочность и износостойкость (в 10100 раз и более). Использование фторопластов в виде лаков, паст, суспензий для изготовления антифрикционных наполнителей для различных композиционных материалов на
основе термопластических и термореактивных полимеров значительно снижает
коэффициент трения и интенсивность изнашивания многих узлов трения.
Ароматические полиамиды [10, стр.179] применяются для изготовления
деталей узлов трения как в чистом виде, так и в виде композиционных материалов, наполненных фторопластом, графитом, дисульфидом молибдена и другими
твердыми смазочными материалами. Детали из ароматических полиамидов отличаются высокой прочностью и теплостойкостью, их изготовляют методами
компрессионного и литьевого прессования. Выпускаемый промышленностью
ароматический полиамид фенилон стоек против многих химических веществ,
масел, бензина. Детали из фенилона можно эксплуатировать при температурах
от -50 до +200 ºС. Наполнение фенилона твердыми смазочными материалами
значительно улучшает его триботехнические свойства.
Фенилон используют для изготовления подшипников скольжения, подпятников, уплотнений, зубчатых колес, сепараторов шарикоподшипников, деталей клапанов, кулачков и т.д.
Поликарбонат применяют в машино- и приборостроении, в радио- и электротехнической промышленности, для изготовления деталей точных станков,
приборов, вычислительных машин и т.д. Поликарбонат стоек к атмосферным
воздействиям, воды, водных растворов минеральных кислот и солей, окислителей, масел, в то же время он растворяется в ряде углеводородов (ацетон, толуол
и др.), набухает в бензине.
Поликарбонат пригоден для работы в условиях низких и сверхнизких
температур, в среде газообразного и жидкого азота, водорода и гелия при
температуре до -253 ºС. Он обладает высокой ударной прочностью и стабиль269
ностью размеров деталей, малой ползучестью, однако плохо сопротивляется
циклическим воздействиям нагрузки и имеет низкую усталостную прочность
[10, стр.180].
Промышленность выпускает поликарбонат - дифлон, наполненный 25%
по массе стекловолокном (дифлон СТН) и наполненный фторопластом (дифлон
ДАК 8).
Освоено производство антифрикционного поликарбоната, представляющего собой дифлон, модифицированный фторопластом - 4. У этого материала
сохраняются высокие физико-механические и диэлектрические свойства поликарбоната и одновременно в 1,52 раза улучшаются антифрикционные свойства. Поликарбонат перерабатывают литьем под давлением и экструзией и
применяют в несмазываемых узлах трения, например в криогенной и микрокриогенной технике.
Расширяется применение полиолефинов (полиэтилен высокого давления,
полипропилен) в качестве антифрикционных материалов как в чистом виде, так
и в композициях с наполнителями. Полиолефины стойки к действию большинства кислот, щелочей, не растворяются в органических растворителях при 20оС.
Однако сильные окислители (азотная кислота и др.), хлор, фтор разрушают их,
и при повышенных температурах они растворяются во многих органических
растворителях.
На основе полиолефинов создают композиционные материалы, вводя
различные наполнители (сажу, каучук, стекловолокно, древесные опилки и
т.д.), что позволяет получать материалы, обладающие высокой износостойкостью и коэффициентом трения 0,10,15. К недостаткам свойств полиолефинов
следует отнести низкую теплоемкость, так как детали узлов трения могут длительно эксплуатироваться при температуре не выше 60 ºС (кратковременно до
80 ºС). Это снижает возможность применения полиолефинов в машиностроении.
Полиарилаты - термопластичные полимеры, перерабатываются литьем
под давлением или литьем прессованием. Детали узлов трения из полиарилата
могут работать длительно при температуре 160 – 180 ºС, кратковременно - при
температуре 230 ºС. Наряду с высокой теплостойкостью полиарилат обладает
высокой сопротивляемостью ионизирующим излучениям, хорошими диэлектрическими свойствами, достаточной химической стойкостью, морозостойкостью (могут работать при температуре до -100 ºС). Для улучшения антифрикционных свойств полиарилаты наполняют твердыми смазочными материалами.
Упомянутые свойства полиарилатов показывают, что это весьма перспективный материал для деталей узлов трения, особенно для не смазываемых.
Другим перспективным материалом являются полиимиды. Это теплостойкие термореактивные полимеры, применяющиеся в качестве связующего
при изготовлении композиционных антифрикционных материалов. На основе
полиимидов выпускают композиты, наполненные дисульфидом молибдена и
графитом. В последние годы разработаны материалы, наполненные углеродным волокном. Эти материалы обладают высокой радиационной и химической
270
стойкостью, прекрасными триботехническими свойствами и могут длительно
эксплуатироваться при температуре 220260 ºС. Изделия из таких материалов
получают в основном прессованием с последующим спеканием.
Высокой химической стойкостью и малым водопоглощением обладает
полимер пентапласт. Его применяют для изготовления деталей узлов трения
повышенной точности (шестерен, уплотнительных манжет, уплотнительных
колец и т.д.). Детали из пентапласта можно длительно эксплуатировать при
температуре 120130 ºС, кратковременно - при 135150 ºС. Пентапласт перерабатывают всеми методами на оборудовании, применяемом для термопластов.
Коэффициент трения при давлении 5 МПа (температура 20 ºС) для пары трения
пентапласт-пентапласт составляет 0,13-0,15; для пары пентапласт-закаленная
сталь - 0,11-0,13. Для повышения механических свойств в пентапласт вводят
минеральные наполнители: графит, смолу, стекловолокно, окись хрома и др.
Полиформальдегидные смолы - термореактивные полимерные материалы, применяемые для изготовления деталей узлов трения в машиностроении
(шестерни, втулки, муфты сцепления, подшипники, сепараторы и др.). Эти материалы обладают высокой стойкостью по отношению к органическим растворителям, действию горячей воды, растворов солей, морской воды, щелочей,
растворов органических кислот. Изделиям из полиформальдегидов свойственна
высокая жесткость, стабильность размеров, высокая износостойкость, стойкость к старению; их можно эксплуатировать при температуре до 120 ºС. Коэффициент трения чистого полиформальдегида по стали без смазки - 0,30-0,35.
Для повышения износостойкости и улучшения антифрикционных свойств полиформальдегид наполняют стекловолокном, фторопластом, дисульфидом молибдена, углеродным волокном, коксом, сажей, графитом. Введение в сополимер полиформальдегида 15-20% фторопласта снижает коэффициент трения в
1,5-2 раза, интенсивность изнашивания - в 3-4 раза.
Эпоксидные полимеры широко применяют при изготовлении деталей узлов трения. Они обладают хорошей адгезией к металлам и другим материалам,
высокой механической прочностью, малыми усадкой и водопоглощением,
вибро- и щелочеустойчивостью, хорошими электроизоляционными свойствами.
В качестве наполнителей используют графит, кокс, дисульфит молибдена, нитрид бора, оксиды металлов, различные волокнистые материалы. Введение в
эпоксидные смолы фурановых олигомеров и специальных добавок увеличивает
твердость, жесткость, нагрузочную способность и износостойкость.
Композиционные материалы на основе эпоксидных смол применяют для
изготовления деталей узлов трения, работающих в агрессивных средах и в вакууме при температурах от -100 ºС до 200 ºС, в воде, керосине и других средах.
Ещё одним классом трибополимеров являются полимерные самосмазывающиеся материалы.
Свойства материалов на основе фторопласта приведены в табл.10.1, а на
основе полиамидов - в табл. 10.2. Для повышения антифрикционных свойств
полиамиды армируют и наполняют твердыми смазывающими материалами.
271
Таблица 10.1. Характеристики материалов на основе фторопласта [10, с.182]
Марка
материала
Состав,
%
Ф-4
Ф4К20
Ф4М15
Ф4С15
Ф4К15
М5
АМИП
-15М
ФН-202
КРИОЛОН-3
КВН-3
Ф-4, 80 Кокс, 2
Ф-4, 85 MoS2,15
Ф-4, 85 Стекловолокно рубл. 15
Ф-4, 80 Кокс, 15
MoS2, 5
Ф-4, Ситал, MoS2
Ф-4, никель, Нитрид бора, MoS2
Ф-4, 82 Углеродное волокно, 5
MoS2, 3
Ф-4, бронза,
PbO,кокс, MoS2
Прочность
в, МПа
Твердость
НВ,
кг/мм2
Теплопроводность,
Ср ,
Вт/(мк)
2,182,2
14,035,0
1
3040
0,2
0,04
80100
0,751,0
0,51,8
Плотность
, кг/м3
ИнтенсивКоэффициность
ент
изнашиватрения,
ния,

Jh 109
2,25
13,5
50
—
0,06
0,07
2,20
11-14
5060
—
0,080,09
1,72,0
2,19
14
40
—
0,080,09
1,72,0
2,25
2,40
1014
1118
4680
4070
0,35
0,30
0,10,12
0,120,15
1,82,1
2832
2,21
2225
5560
0,36
0,080,1
0,50,7
Таблица 10.2. Характеристики материалов на основе полиамида [10, стр.182]
Марка
материала
ПА 6-1-203
Состав
ПА, графит
ПА, графит, алюЛАМ-1
миневая пудра
ПА12-11-13
ПА, MoS2
ПА66ПЭ
ПА, полиэтилен
ПА610-1-103
ПА, графит
ПА,
ПА610-1
стекловолокно,
MoS2
САМ-3
ПА, добавки
ПА, графит,
САМ-5
добавки
ПНС610-Т10
ПА, тальк
МАСЛЯНИТ ПА, стекловолокно,
КСПЭ
полиэтилен, медь
Предельная
Удельная Твердость
рабочая
вязкость
НВ,
температура,
КС, кДж/м3 кг/мм2
ºС
130
1850
-60  165
Плотность,
, кг/м3
Прочность
в, МПа
1,15
6072
1,18
53
20
200
-60  165
1,03
1,13
1,12
49
70
55
3-7
4
5080
85
110
—
-60  165
- 40  80
до 120
1,35
125
2050
—
до 120
1,30
55
4050
130
до 100
1,16
47
3551
95
до 100
1,16
5060
5080
—
до 120
—
—
30
80
-50  200
К классу трибополимеров относятся также полиимиды. Полиимиды отличаются высокой термической и термоокислительной устойчивостью. Они начи272
нают разлагаться на воздухе только в области температур 350 – 450 ºС, а в вакууме или инертной среде - при 500 ºС. Полиимиды относятся к самым радиационностойким материалам, что в сочетании с малой летучестью делает их
перспективными для применения в узлах трения, работающих в вакууме.
Изделия из полиимидов могут длительно эксплуатироваться при температуре 200260 ºС. Например, полиимид ПМ-69 сохраняет 90% прочности при
изгибе после 500 ч работы при 250 ºС и после 100 ч работы при 300 ºС. Ценным
свойством полиимидов является высокое сопротивление ползучести, особенно
при высоких температурах. Возможность применения полиимидов для изготовления деталей высокой точности обеспечивается их малой усадкой (0,7-1,0%)
при прессовании и спекании и небольшим (0,2-0,3%) водопоглощением.
В табл.3. приведены составы и основные свойства самосмазывающихся
композиционных материалов на основе полиимидов. Коэффициент трения этих
материалов с увеличением скорости скольжения снижается. Детали узлов трения получают горячим прессованием. Для изготовления пористых изделий,
например, подшипников, к полиимиду добавляют полиформальдегид. При температуре до 340 ºС наиболее эффективно работают композиции, содержащие
45% графитированного волокна (коэффициент трения снижается до 0,05 - 0,10)
при допустимом контактном давлении 350 МПа.
Таблица 10.3. Характеристики материалов на основе полиимида [10, стр.184]
Марка
материала
Состав
материала
Полиар-2
Тесан-38
ПМ-67-ДИ-3
ПМ-69-ДМ-3
ПМ-67-Г10
ПМ-69-Г5
ПАМ 15-67
ПАМ 15-69
ПМ-67, МоS2
ПМ-69, МоS2
ПМ-67, МоS2
ПМ-67, МоS2
ПМ-67, графит
ПМ-69, графит
ПМ-67, графит
ПМ-69, графит
ПМ-7, графит,
нитрид бора
ПМ-69, графит,
нитрид бора
ПАМ 50-67
ПАМ 50-69
1,3
1,3
1,43
1,45
1,45
1,47
1,42
1,42
Предельная раПрочУдарная Твердость
бочая
ность,
вязкость
НВ,
температура,
в, МПа КС, кДж/м2 кг/мм2
С
—
50
140
-196 300
—
30
140
-196  250
90130
2070
210310
-196  250
до 250
85120
3050
210280
до 250
7098
830
230330
до 250
7090
2040
220330
300
80100
1630
-196  250
7,8
330
6580
-196  250
1,62
4445
1,55,0
270300
-196  250
1,51,6
3038
5,0
300
-196  250
Плотность ,
г/см3
Подшипники, изготовленные из наполненного полиимида с хаотично
ориентированными графитированными волокнами, надежно работают при давлении до 28,5 МПа и имеют износостойкость при 50 и 315 ºС соответственно в
7 и 1,5 раза большую, чем в случае ориентации графитовых волокон вдоль
направления скольжения. Для работы в области криогенных температур применяют полиимиды, наполненные бронзой. Фирма "Баден" (США) разработала
самосмазывающиеся шарикоподшипники, работоспособные в интервале температур -50 +260 ºС при частоте вращения до 800 с-1. Сепаратор этих подшипников изготовляют из пористых полиимидных материалов SP-8 и SP-811.
273
Большое распространение в науке, в технике и производстве получили
так называемые «твердые смазки», особенно в узлах трения. Особое значение
приобрели «твердые смазки» на основе селенида вольфрама(IV) WSe2[11,12,14]
и сульфида вольфрама(IV) WS2[11-14]. Очень большое влияние на свойства
«твердых смазок» оказывает размер и форма основного наполнителя WSe2 и
WS2. Чем размер частичек меньше, тем более высокие характеристики различных свойств могут ожидаться. Наночастицы данных материалов хорошо проявили себя в качестве наполнителей к смазочным материалам [48-71]. Кроме
того, немаловажную роль играет степень дисперсности и однородности данных
наполнителей.
Технология изготовления полиимидных композиционных материалов с наночастицами дихалькогенидов вольфрама реализуется в два этапа:
1) получение наночастиц [23, 24, 25, 29, 30];
2) синтез полиимидных покрытий с наночастицами.
Таблица 10.4.
№
Оборудование
Описание
Поточный реактор
вертикального типа
для получения наночастиц дисульфида и
диселенида вольфрама [46]
1
Трубчатая печь с
градиентом температур (200 – 200С) для
получения чистых
порошков дисульфида и диселенида
вольфрама [46]
2
274
Наночастицы дисульфида (диселенида) вольфрама синтезируются в проточном реакторе вертикального типа (табл.4) путём пиролиза гексакарбонила
вольфрама W (CO) 6 в атмосфере инертного газа ( He и Ar ) в присутствии паров
серы (селена)[20, 21, 22, 26, 27, 28 и др.].
Гексакарбонил W (CO) 6 помещается в испаритель, где поддерживается
температура t И  95...110 0 С (температура испарения гексакарбонила). Испаритель продувается инертным газом (несущий газ). Для испарения серы (селена):
колба с серой (селеном) помещается в первую зону реактора (табл.5), в которой
поддерживается температура t S  325...400 0 С (t Se ) . Несущий газ с парами гексакарбонила поступает в реактор, где в первой зоне реактора перемешивается с
парами серы (селена). Далее, получившаяся газовая смесь поступает во вторую
зону реактора, где при температурах t РГК  800...10000 С происходит разложение
гексакарбонила:
W (CO) 6  W  6CO .
Атомы вольфрама вступают в реакцию с серой:
W  S 2  WS 2 .
При использовании колбы с селеном происходит реакция:
W  Se2  WSe2 .
Из реактора образовавшиеся наночастицы дисульфида (диселенида)
вольфрама WS2 (WSe2 ) вместе с частицами серы (селена), не вступившей в реакцию, поступают в систему сбора, где происходит их осаждение.
Для получения чистого порошка дисульфида (диселенида) вольфрама из
порошка с избытком серы (селена), полученного в результате реакций [31],
проводится дополнительная термическая обработка в интервале времени
Tто  1ч . Для этого используется трубчатая печь (табл.4).
Смесь «дисульфид вольфрама + сера» («диселенид вольфрама + селен»)
запаивается в кварцевой ампуле, в которой создаётся вакуум 0,001Па.
Дисульфид (диселенид) вольфрама с избытком серы (селена) помещается
в горячую зону (200°С). За время дополнительной термической обработки избыток серы (селена) перемещается в холодную зону, и конденсируется на стенках ампулы. В результате получается порошок без примесей.
Большое распространение твёрдые смазочные материалы нашли в различных узлах трения. Часто возникает необходимость нанесения твёрдого смазочного материала в виде напыления или покрытия. Поэтому возникает потребность в создании композиции на основе наполнителя и сильного адгезионногосвязующего – матрицы. К матрице предъявляется требования быть износостойкой, обладать высокими адгезионными свойствами, иметь большую сопротивляемость к истиранию, деформационно-прочностные характеристики,
так же должны быть высокими. Кроме того, матрица должна быть перерабатываемой и иметь высокие температурные переходы своего связующего. В качестве одного из таких перспективных связующих может быть использованы по275
лиимиды, и особенно термопластичные из них. Форполимеры полиимида
должны быть растворимы с тем, чтобы можно было бы хорошо распределить
наполнитель в объеме создаваемой матрицы. Также, часто одним из необходимых условий использования полимера в качестве связующего является его способность к течению или образованию расплава при температурах, превышающих температуру размягчения полимера.
Как показали исследования различных авторов [15-18] наиболее эффективным методом придания полиимидам нужных термопластичных свойств является их получение на основе макромолекул, имеющих линейное строение с
содержанием в цепи шарнирных развязок [19].
В качестве полимеров, для связующего, может быть выбран ряд линейных полиимидов с шарнирными развязками ПМ-ДАДФЭ, (Р-ООО) ФТ и АООО, химическое строение которых соответствует формулам:
ПМ-ДАДФЭ:
O
O
O
N
N
*
O n
O
(Р-ООО)ФТ:
O
O
N
O
O
O
O
O
N
N
*
O n
O
O
O
А-ООО:
O
O
O
O
N
O
O
CH3
C
CH3
O
O
N
*
O n
Полиимид ПМ-ДАДФЭ является аналогом выпускаемого промышленностью полиимида ПМ, получаемого путем поликонденсации пиромелитового ангидрида (ПМ) и 4,4′-диаминодифенилового эфира (ДАДФЭ). Полиимид ПМ не
растворим в обычных растворителях, практически не размягчим и не плавок.
Синтез ПМ-ДАДФЭ с наночастицами наполнителя выражается следующим образом:
276
O
O
O
O
O
O
+
H2N
O
NH2
O
O
O
N
H
N
H
HOOC
COOH
WX2
+
n
100-350 oC; X = S, Se
матрица на основе:
O
O
N
N
O
n
O
O
Полиимиды (Р-ООО)ФТ и А-ООО относятся к числу полиимидных термопластов и получаются в лабораторных масштабах путем поликонденсации
диангидрида1,3-бис (3',4-дикарбоксифенокси) бензола (диангидрид Р) и 4,4'бис(4″-аминофенокси)- дифенилоксида (диамин ООО) и регулятора молекулярной массы полимера фталевого ангидрида (ФТ) в случае полиимида (РООО)ФТ и поликонденсацииди ангидрида 1,3-бис (3',4-дикарбоксифенокси)
дифенилпропана (диангидрид А) и 4,4'-бис (4″-аминофенокси) дифенилоксида
(диамин ООО) в случае полиимида А-ООО. Необходимые для получения полиимидов диангидриды ПМ, Р и А, ангидрид ФТ, диамины ДАДФЭ и ООО, растворитель N-метилпирролидон (МП) являются веществами распространёнными
на рынке.
Синтез (Р – ООО)ФТ с наночастицами наполнителя выражается следующим образом:
277
O
O
O
O
O
O
O
+
H2N
O
NH2
O
O
O
N
H
N
H
HOOC
COOH
WX2
+
O
n
100-300 oC; X = S, Se
матрица на основе:
O
O
O
N
O
N
n
O
O
Синтез (А – ОООД)4 с наночастицами наполнителя выражается следующим образом:
O
O
O
O
O
+
O
O
H3 C
CH3
H2 N
O
O
O
NH2
O
+ WX2; X=S, Se
O
O
O
O
O
O
N
H
N
H
H3 C
O
n
CH3
100-300 oC
матрица на основе:
O
O
O
O
N
N
O
O
O
n
O
H3 C
CH3
O
Существенные исследования посвящены также слоистым геомодификаторам трения (ГМТ). В границах данного изложения рассмотрен слоистый модификатор трения – природная горная порода – «серпентинит» (известная также под названием «змеевик»).
278
В 1984 г. было защищено открытие "Эффект низкого трения гидратов по
стали" (Маринич Т. Л., Ревнивцев В. И., Гаркунов Д. Н.). Сущность данного открытия состоит в том, что частицы серпентинита взаимодействуют с поверхностями трения таким образом, что в результате взаимодействия происходит снижение сил трения в несколько раз.
Вместе с тем, в ряде случаев, исследователи наблюдали и создавали условия безаварийной и почти безызносной эксплуатации узлов трения [44]: надёжная работа колёсных пар шахтных вагонеток, футерованных толстым керамическим слоем (плёнкой) из серпентинита. При этом отмечалась высокая
стойкость против заедания и схватывания, способность к непрерывной модификации поверхностей.
С данных позиций было объяснено и явление увеличенного срока службы
(до 6 раз) бурового инструмента при прохождении некоторых участков
сверхглубокой скважины на Кольском полуострове, содержащих серпентиниты. Подобные явления отмечались и при измельченных кварцитах. Заявка
на изобретение зарегистрирована ещё в 1969г.
Исследователи увидели в данных процессах прообразы самовосстанавливающихся трибосопряжений и реализовали многочисленные научно-исследовательские работы, связанные с выявлением влияния композиционных
материалов с серпентинитом на трение и износ самых разнообразных контактирующих деталей машин и механизмов.
Не оставили без внимания положительные эффекты от воздействия серпентинита на рассмотренные трибосопряжения и представители большого,
среднего и малого бизнеса. Возник ряд организаций: фирма «Фокар» (препарат
«Живой металл»), корпорация «ХАДО», НИИ РТК НПЦ «Трибо» и др., проводящих собственные исследования.
В результате данных процессов возникло множество мнений о влиянии
серпентинита на трибосопряжения: о механизме образования защитных плёнок,
их толщине, твёрдости, влиянии на трение, износ и др.
В работах [40-43 и др.] приведены результаты исследований влияния
геомодификаторов трения на работоспособность трибосопряжений. В работе
[40] профессором Погодаевым Л.И. и его учениками произведён крупный и
обоснованный аналитический обзор:
1) фирм-производителей порошков и смазочных композиций с серпентинитом и их рекомендаций;
2) научных исследований геомодификаторов трения и их результатов;
3) мнений представителей фирм-производителей различных смазочных
композиций с серпентинитом и ряда учёных в данной области.
Данные аналитического обзора систематизированы в таблице 10.5.
279
Таблица 10.5. Систематизация данных аналитического обзора [40]
№
1
1.1
1.2
1.3
1.4
1.5
Характеристики
и основные физические
модели
Шаржирование
Тонкая абразивная обработка
Образование
защитного покрытия
Название процесса образования защитной
плёнки
Механизм образования защитной плёнки на
поверхности
трения
2
Адгезия защитной плёнки к
поверхности
трения
3
Толщина защитной плёнки,
мкм
4
5
6
Микротвёрдость плёнки,
кГс/мм2
Прочность при
ударе, кГс/мм2
Коэффициенты
линейного расширения α*106,
1/град
Название фирм и препаратов
Данные испытаний по разЖивой меРВС
ТРИБО – люкс
ХАДО
ным добавкам
талл [55,
[58, 60]
58, 59 и др.]
Основные процессы, происходящие при работе трибосопряжений
Происходит
Отсутствует
Происходит
Происходит
Отсутствует
Происходит
COTAG
Органометаллокерамического
Металлокерамические
покрытия
Органометаллокерамического
Восстановление
Плёнка
возникает в
результате
микросварки выступов шероховатости сопряжённых
деталей
Пускает
корни
вглубь металла длиной до 200
мкм
«ЖМ» проникает
внутрь металла, меняет
его
структуру
изнутри.
Внедрение
керамических частиц
в поверхность трения
–
Физикохимические реакции
препарата с поверхностями
трения с последующим
образованием
защитного
слоя
Абсолютная
на молекулярном
уровне
Активное
внедрение
керамических
частиц (фибрилл) в поверхность
трения. Образование
покрытия
обладающего
текучестью
–
Керамического
(типа
стеклокерамики)
[60,61,62,63]
Ревитализация
Восстановление
Утрамбовка
частиц
ХАДО
в
неровности
рельефа и
расплавление их при
900
–
12000С.
Кристаллизация – наращивание
слоя из расплава
Шаржирование
менее твёрдой
поверхности
пары, суперфиниш, флуктуации
температуры, разложение ГМТ с образованием
композита
(стеклокерамики),
рост
толщины плёнок
Различной силы
адгезия псевдожидкой
плёнки при
смачивании
ювенильных
участков металлов на поверхности трения
Образование кристаллического рельефа на глубину 10-30
мкм
20 – 1050
для разных
узлов трения: 20, 50,
100, 200,
500 и 1050
≤ 80
–
–
–
630…710
–
–
–
≤600
Соответствует
данным [61]
50
–
≤ 50
–
–
–
–
αn=αм
–
–
В среднем:
9 (плёнки)
14,5 (металла)
280
6,0 для ТРИБО
[60]
Соответствует
данным AG [61]
для силикатного стекла
Напряжение в
плёнке, кГс/мм2
Прочность
(твёрдость) изнашиваемого
металла
7
8
–
–
Слабое
упрочнение
за счёт легирования
Увеличиваются в
несколько
раз
–
–
Сжатия 250
–
–
Увеличиваются в несколько раз
HV плёнки
выше HV
детали
0,003 – 0,007
p  7,5МПа
HV детали увеличивается в
1,2 – 1,6 раза
[60, 64]
хадо: 0,088[65];
жм: 0,083 [55];
трибо [60] в
1,6-1,9 раза
хадо: на 2%[65]
жм: на 15% [55,
65]
При
9
10
11
12
13
Коэффициент
трения fтр
f
Температура в
зоне трения, t
0
С
Снижается
в несколько
раз
–
–
–
Шероховатость
поверхности
трения Ra, мкм
–
–
–
min 0,125
min 0,106
–
–
–
Увеличивается
В 3 – 10 раз
В 2-3 раза
В 2-4 раза
5-25%
–
Увеличение:
износостойкости,
долговечности
(ресурса)
Экономия топлива при работе
автомобильных
двигателей
min
тр
Снижается
 0,003 в 5 – 10 раз
0,02 – 0,04
снижается с
0,1 до 0,02
Снижается
после образования
плёнки
Увеличивается
10-20%
До 20%
До 25% на
холостом
ходу
хадо: на 14%
[65] до 0,14. По
[60,65,66] 0,110,45.
Для пары Cr
гальв. -СЧ: хадо
– kCr, на 13%,
kСЧ на 53%.
ЖМ на 29%[55]
ЖМ: 10-15%
[67, 68]
Наряду с положительными мнениями представителей фирм производителей препаратов с серпентинитом, ряд оптимистичных результатов был получен и со стороны учёных. Так, в работе [45] отмечено, что при использовании
серпентинита в качестве присадки к смазочным материалам для поршневых
двигателей внутреннего сгорания:
1) минимальное уменьшение скорости износа пары трения увеличивает
ресурс трущейся пары в 1,8 – 2 раза;
2) достигается экономия топлива от 5 до 15%;
3) происходит экономия электроэнергии на оборудовании с электроприводом от 10 до 20%;
4) реализуется полное восстановление геометрических размеров изношенных деталей в режиме штатной эксплуатации;
5) уменьшается дымление при работе двигателя на 40%;
6) повышается износостойкость в 1,5 – 3 раза;
7) снижаются потери на трение на 20 – 30%;
Авторами [45] приведён механизм образования защитной плёнки на поверхности трения, который состоит в том, что при механическом и тепловом
воздействии серпентин (минерал, входящий в состав серпентинита) разлагается
и, в процессе трения, выделяется количество теплоты, достаточное для разогрева и размягчения металла. Этот процесс приводит к возникновению следующей
реакции [45]:
Mg 6 [ Si4 O10 ](OH ) 8  Fe2 O3  H 2 
 4( MgFe) SiO4  5H 2 O .
281
При этом происходит внедрение в структуру металла микрочастиц минерала и образование композитной серпентинометаллической (название, не
указанное в таблице 5.) структуры (метал – минерал) на поверхности узлов трения.
Изготовление полимерных композиционных материалов, содержащих
мелкодисперсные частицы серпентинита, представляет собою сложный процесс, включающий в себя ряд взаимосвязанных и последовательно реализуемых
этапов:
1) измельчение серпентинита;
2) удаление металлических примесей из измельчённой породы;
3) флотация очищенного дискретного материала;
4) отстаивание и просушка серпентинита после процесса флотации;
5) измерение среднего размера мелкодисперсных частиц;
6) выбор размера частиц и концентрации серпентинита в полимерном материале, в зависимости от планирования эксперимента;
7) выбор полимерного материала, используемого в качестве матрицы;
8) синтез полимерного композиционного материала, содержащего мелкодисперсные частицы серпентинита.
Первый этап включает в себя три последовательно реализуемых набора
действий:
- измельчение серпентинита на щёковой дробилке;
- измельчение серпентинита на конусной дробилке;
- измельчение серпентинита на шаровой мельнице.
Первый процесс измельчения наиболее крупных кусков серпентинита
(горной породы) осуществляется на щёковой дробилке [32, 33 и др.] за интервал времени t щд (рис.10.1).
1.
1
Рис.10.1. Схема работы щёковой дробилки
с обозначением основных элементов [46]
Используемая щёковая дробилка относится к оборудованию лабораторного класса. Она предназначена для дробления хрупких, сыпучих материалов
различной прочности и твердости до 7 единиц по шкале Мооса. Максимальный
282
размер кусков исходного материала 50 мм  d1.1max  70 мм , минимальный размер
материала после измельчения 2 мм  d1.1min  3мм .
Второй процесс измельчения кусков серпентинита, полученных после
дробления на щёковой дробилке, осуществляется на конусной дробилке [34] за
время t кд (рис. 10.2).
1.
2
Рис. 10.2. Схема работы конусной дробилки
с обозначением основных элементов [46]
Используемая конусная дробилка предназначена для дробления хрупких,
сыпучих материалов различной прочности и твердости до 7 единиц по шкале
Мооса. Максимальный размер кусков исходного материала 5 мм  d1.2 max  10 мм ,
размер материала после измельчения 0,2 мм  d1.2 min  0,3мм .
1.
3
Рис. 10.3. Шаровая мельница: 1 - барабан; 2 - дробящие тела;
3 - загрузка серпентинита; 4 - подшипники;
5 - разгрузка измельченного серпентинита [47]
Третий и заключительный процесс измельчения серпентинита, полученного после дробления на конусной дробилке, осуществляется с использованием
шаровой мельницы (рис. 10.3). В качестве дробящих тел используются керами283
ческие шарики. На интенсивность и механизм размола оказывают сильное влияние угловая скорость вращения барабана мельницы  м ел , число и размер размольных тел k ш и d ш , масса измельчаемого материала mсерп , продолжительность tшм и среда размола (в данной технологии средой размола является
H 2O ).
После измельчения серпентинита в шаровой мельнице, для удаления металлических примесей из измельчённой породы, смесь «серпентинит + H 2O »
(пульпа) подвергается очистке на магнитном сепараторе [35, 36, 37, 38 и др.] в
течение t м с (рис. 10.4).
2
Рис. 10.4. Схема магнитной сепарации измельчённого серпентинита [47]
После процесса магнитной сепарации, очищенная измельчённая порода
серпентинит, представляющая собою дискретный материал, состоящий из мелкодисперсных частиц различных фракций, поступает во флотатор с водой и
находится там t ф [39] (рис. 10.5).
284
3
Рис. 10.5. Схема флотатора, используемого для реализации разделения
мелкодисперсных частиц серпентинита на группы по размерам
После флотации измельчённого и очищенного серпентинита, смеси частиц породы с водой сливаются из флотатора в пластиковые ёмкости простой
формы (рис. 10.6).
4
Рис. 10.6. Отстаивание смеси «серпентинит + H 2O »
Каждая пластиковая ёмкость содержит мелкодисперсные частицы определённого размера. Размеры частиц в разных ёмкостях отличаются друг от
друга. В ёмкостях происходит постепенное осаждение мелкодисперсных частиц
на дно в течение интервала времени tос . По окончании данного интервала
времени производится слив воды и высушивание порошка tсуш , состоящего из
частиц серпентинита определённого размера.
Полученные сухие порошки подвергаются анализу на лазерном анализаторе частиц (рис. 10.7).
285
Рис. 10.7. Граф работы и устройства лазерного анализатора частиц
В представленном графе вершины: 5.1 – лазерный диод, 5.2 – кюветное
отделение и кювета с магнитным волчком, 5.3 – линейка фотодиодов (малые
углы рассеяния), 5.4.1 и 5.4.2 – фотодиоды (большие углы рассеяния), 5.5 –
микропроцессорный контроллер в компьютере, 5.6 – панель управления. Дуги в
приведённом графе: (5.1; 5.2) и (5.2; 5.3) – лазерные лучи, (5.3; 5.5), (5.4.1; 5.5),
(5.4.2; 5.5) и (5.5; 5.6) – провода электрического тока.
Лазерный луч освещает кювету, в которой непрерывно перемешивается
суспензия мелкодисперсных частиц серпентинита. Рассеянное частицами серпентинита излучение регистрируется под разными углами с помощью многоэлементного детектора. По измеренной таким образом зависимости интенсивности рассеянного излучения от угла рассеяния осуществляется расчет распределения частиц по размерам (гранулометрический анализ). При проведении
расчетов используется теория светорассеяния. В результате анализа выявляется
средний размер частиц серпентинита в порошке. Продолжительность анализа –
tизм .
Выбор размера частиц серпентинита и его концентрации в полимерном
материале (шестой этап) осуществляется в зависимости от планирования проводимых экспериментальных исследований, результатов проведённых ранее
экспериментов, испытуемых узлов и пар трения, априорной информации и других факторов.
Выбор полимерного базового материала в качестве матрицы (седьмой
этап) осуществляется на основании принципов выбора материалов трибосопряжений и зависит от испытуемых узлов и пар трения и ряда факторов различной природы.
После реализации выбора полимерного материала, концентрации и размеров частиц породы, осуществляется синтез (восьмой этап) полимерного композиционного материала (в случае с полиимидами процесс аналогичен синтезу
композитов с частицами дихалькогенидов вольфрама, описанному в данном
разделе выше).
Девятым этапом служит собственно эксперимент, который обусловливает
первый, седьмой и связанные с ними этапы, поскольку на основе его результатов происходит отработка технологии в плане выбора матрицы и оптимизации
размера и концентрации частиц наполнителя, и других составляющих.
286
Технологию изготовления смазочных композиций, с учётом введённых
обозначений и рассуждений, удобно представить в виде графа (рис. 10.8).
Рис. 10.8. Граф технологии изготовления смазочных композиций,
содержащих мелкодисперсные частицы серпентинита
Недостатком материалов на основе полиимидов является большая скорость газовыделения, что в некоторых случаях ограничивает их использование
в вакуумной технике, а также хрупкость, предъявляющая особые требования к
технологии обработки деталей. Кроме того, эти материалы имеют высокую
стоимость. Поэтому их применяют лишь для изготовления ответственных деталей подвижных сопряжений, работающих в экстремальных условиях.
10.2 Нефтяные масла триботехнического назначения:
дисперсные компоненты и наполнители
Дисперсные компоненты в нефтяных смазочных маслах
Дисперсные компоненты в нефтяных смазочных маслах по форме возникновения можно разделить на три основных вида:
1) дисперсные компоненты, генерируемые в процессе трения и окисления
масел (частицы износа: металла, окислов; выкристаллизованные при понижении температуры парафины и церезины; частицы нагара, золы, лаков; пу287
зырьки газов, образовавшихся в узле и из компонентов узла (особенно при срабатывании противопенных присадок) и т.д.);
2) дисперсные компоненты, попадающие в узел трения извне естественным образом при обмене веществом и энергией с внешней средой (частицы пыли, песка, резины (при износе уплотнений); частицы воды или другой жидкости, случайно попавшей в систему; пузырьки газов; микроорганизмы);
3) дисперсные компоненты, целенаправленно добавляемые в узел трения,
для улучшения триботехнических свойств смазочных материалов (частицы
твёрдых смазочных материалов, металлов, бинарных сплавов и т.д.).
Схема классификации дисперсных компонентов приведена на рис.10.9.
Рис.10.9. Классификация дисперсных компонентов в нефтяных маслах
Ниже приведён аналитический обзор, на базе которого разработана представленная классификация.
Дисперсные компоненты, генерируемые в узлах трения машин
Вещества и дисперсные компоненты, образующиеся в процессе окисления
нефтяных масел
Поведение нефтяных смазочных масел в эксплуатации зависит главным
образом от их химического состава и рабочих условий (температура, давление,
действие кислорода воздуха и др.).
Некоторые важнейшие эксплуатационные свойства масел, в первую очередь их стабильность против окисления [91,93,94], не аддитивны соответствующим свойствам компонентов, входящих в состав этих масел, и могут резко меняться даже при незначительных изменениях химического состава масла. Правильное соотношение компонентов в маслах практически определяет их эксплуатационные свойства и является основой современных методов получения
288
масел из нефти. На этом же основано и использование специальных присадок к
маслам с целью улучшения их эксплуатационных свойств [91].
Основными компонентами нефтяных масел являются углеводороды смешанного строения, содержащие одновременно структурные элементы нафтенопарафинового, парафино-ароматического или парафино-нафтено-ароматического характера. Углеводородов, содержащих только нафтеновые или ароматические циклы и лишённые боковых алкильных цепей, в маслах практически
нет. Отсутствуют в товарных маслах и нормальные парафиновые углеводороды, так как при производстве масел обычно применяется депарафинизация.
Кроме углеводородов в маслах имеются и разнообразные гетероорганические
соединения, содержащие серу, кислород, азот, а также различные металлы. Всё
это вносит большую сложность в изучение зависимости эксплуатационных
свойств нефтяных масел (в том числе и стабильности против окисления) от их
химического состава [91].
Первичными продуктами окисления углеводородов, входящих в состав
масел, являются гидропероксиды [80, 91]. Они образуются при окислении парафиновых, нафтеновых, алкилароматических и нафтеноароматических углеводородов. В результате разложения гидропероксидов и дальнейших реакций в
маслах образуются кислые и нейтральные продукты окисления.
Образование дисперсных компонентов (дисперсных фаз) в нефтяных
маслах в процессе их окисления в общем виде реализуется по определённой последовательности. Углеводороды, благодаря процессам дегидратации и другим
реакциям, становятся ненасыщенными, и, конденсируясь, дают дисперсные
компоненты – смолы, которые в свою очередь также могут уплотняться и окисляться с образованием дисперсных компонентов – асфальтенов. Смолы и асфальтены представляют собою высокомолекулярные циклические соединения,
которые при дальнейшем окислении образуют дисперсные компоненты – карбены, затем – дисперсные компоненты – карбоиды. Таким образом, общая схема генезиса дисперсных фаз при окислении нефтяных масел имеет вид: углеводороды – смолы – асфальтены – карбены – карбоиды. Данные дисперсные
компоненты, различающиеся по растворимости:
1) нейтральные смолы, растворимые в нефтяных маслах, бензоле, эфире,
хлороформе и уплотняющиеся при нагревании и кислотной обработке в асфальтены;
2) асфальтеновые кислоты – кислые смолистые вещества, растворимые в
спирте, хлороформе, плохо растворимые в бензине;
3) асфальтены (наиболее высокомолекулярные соединения нефти), которые растворимы в хлороформе, сероуглероде, не растворяются в спирте, эфире
и ацетоне;
4) карбены – высокомолекулярные вещества, образующиеся вследствие
уплотнения асфальтенов в присутствии серы; растворимы в пиридине, сероуглероде;
5) карбоиды – вещества не растворимые в органических растворителях.
289
Возможно одновременное наличие всех перечисленных дисперсных компонентов в смазочном масле на некоторых стадиях окислительного процесса.
При окислении масел кислородом или воздухом ароматические углеводороды с короткими боковыми цепями и ароматические циклы после отщепления
боковых цепей окисляются до пероксидов, которые последовательно превращаются в фенолы и дисперсные компоненты (дисперсные фазы в дисперсионной среде – масле) – смолы, асфальтены и карбены. Парафины, нафтены и алкилароматические углеводороды с длинными боковыми цепями тоже окисляются до пероксидов. Эти пероксиды превращаются далее по таким совместно
протекающим последовательным реакциям [91, 93]:
1) в кислоты, гидроксикислоты, эстолиды, асфальтеновые кислоты, дисперсные компоненты – карбоиды;
2) в кетокислоты (или кетоны) и продукты их конденсации;
3) в альдегиды и кислоты;
4) в спирты, кислоты и сложные эфиры;
5) в спирты, гидроксикислоты и эфирокислоты;
6) в спирты и кислоты.
Окисление смесей различных углеводородов большей частью не аддитивно их окисляемости в индивидуальном состоянии.
Ароматические углеводороды, не имеющие боковых цепей, при добавлении к нафтенам тормозят окисляемость последних. При этом ароматические
углеводороды сами участвуют в процессе окисления и таким образом расходуются. Малые концентрации алкилароматических углеводородов с боковыми
цепями практически не стабилизируют окисление нафтенов, а в некоторых случаях даже увеличивают суммарный процент продуктов окисления. Однако увеличение концентрации алкилароматических углеводородов в смеси до 20 – 30%
(по массе) тормозит окисление нафтенов.
Нафтеноароматические углеводороды типа тетралина, дигидроантрацена
и октагидроантрацена уже в малых концентрациях (5% по массе) снижают
окисление нафтеновых углеводородов и накопление в них кислот и смол, а при
высоких концентрациях (10% по массе и выше) способствуют образованию
значительного количества продуктов глубокого уплотнения: дисперсные компоненты – смолы, асфальтены и карбены. Таким образом, ароматические и
нафтеноароматические углеводороды в оптимальных концентрациях защищают
основную нафтенопарафиновую часть масляных фракций от окисления, являясь
тем самым естественными ингибиторами. Причиной их ингибирующего действия [78, 91, 93, 94] является образование (в процессе окисления ароматических
углеводородов) фенолов, хинонов и дисперсных компонентов – смолистых продуктов, являющихся активными естественными ингибиторами окисления. Поэтому в процессе очистки масел при их производстве важно получить оптимальный состав масла.
В зависимости от назначения масел и условий их работы допустимое содержание серы может колебаться в значительных пределах. В процессе окисления сернистые соединения могут образовывать сульфоновую и серную ки290
слоты, которые вызывают коррозию металлических деталей и способствуют
образованию на горячих поверхностях нагаров, осадков и лаков. Лаки имеют
гладкую блестящую поверхность светло-желтоватого, коричневого или чёрного
цвета. Они представляют собою продукты глубокого окисления компонентов
масла и имеют такой химический состав: карбены и карбоиды 70 – 80%, асфальтены и гидроксикислоты до 10%, масло и нейтральные смолы 15 – 25%
[84]. Главной составной частью нагара, образующегося на деталях двигателя,
являются карбены и карбоиды. В дизельных двигателях эти продукты составляют 50 – 75%, в поршневых карбюраторных двигателях 70 – 80%, в жаровых
трубах газотурбинных двигателей 75 – 95%. Содержание масла и смол в нагаре
может колебаться в широких пределах – от 15 до 40%. Остальное составляют
гидроксикислоты, асфальтены и зола [86].
Кроме сернистых соединений на окисление масел влияют и содержащиеся в них другие компоненты, в первую очередь смолисто-асфальтеновые
вещества. Эти продукты остаются в маслах в количестве нескольких процентов,
особенно в высоковязких остаточных маслах (несмотря на глубокую очистку
масел в процессе их производства). Смолисто-асфальтеновые вещества содержат в своём составе кроме углеводородной части ещё кислород, серу, иногда
азот. По сведениям [87, 88, 91, 93], нефтяные смолы в концентрации до 1% стабилизируют масло, уменьшая его окисление. Увеличение концентрации смол
выше 1% снижает их эффективность как естественных ингибиторов, а иногда
даже повышает окисляемость масла. Предполагается, что снижение противоокислительной эффективности смол, а также их способность при высокой концентрации увеличивать окисляемость масел, связаны с образованием асфальтенов. Сами асфальтены, внесённые в масло даже в незначительной концентрации, ускоряют окислительный процесс.
На основании приведённых кратких рассуждений можно сделать следующие основные выводы:
1. Нефтяное смазочное масло является дисперсионной средой переменного объёма, химического состава и свойств.
2. Нефтяное смазочное масло является сложной высокоорганизованной
дисперсионной средой, в которой и из компонентов которой в результате термодинамических процессов образуются дисперсные фазы (компоненты).
3. Нефтяное смазочное масло, содержащее дисперсные компоненты, является дисперсной системой, в которой одни дисперсные компоненты, при взаимодействии с дисперсионной средой, изменяют её состав и способствуют образованию в ней других дисперсных компонентов.
4. Нефтяное смазочное масло, содержащее дисперсные компоненты, является полидисперсной системой: содержит частицы разных размеров.
5. По мере развития окисления масла одни дисперсные компоненты преобразуются в другие. Такие превращения, как правило, не бывают полными и
одновременными, так что в маслах в одно и то же время существуют дисперсные компоненты разных стадий окисления.
291
6. Некоторые дисперсные компоненты при взаимодействии с дисперсионной средой интенсифицируют её изменение и образование в ней и из неё себе
подобных и других дисперсных компонентов; некоторые – способствуют стабильности дисперсионной среды.
Дисперсные компоненты, образующиеся в процессе изнашивания
трибосопряжений в механизмах и машинах
В процессе фрикционного взаимодействия поверхностей деталей образуются дисперсные компоненты, состоящие из мелкодисперсных частиц износа:
частиц окисных плёнок, модифицированных слоёв и частиц материалов, из которых состоят взаимодействующие детали [95-100]. Вся совокупность образовавшихся частиц износа занимает в смазочном масле некоторый объём.
Этот объём иногда обозначается символом Vизн и называется объёмным износом трибосопряжения. Объём дисперсных компонентов, состоящих из частиц
износа, изменяется с истечением времени Vизн  Vизн (t ) . Если отложить по оси
абсцисс время t работы пары трения (рис.10.10), а по оси ординат объёмный износ, то получим кривую изнашивания детали во времени (зависимость объёма
дисперсных компонентов от времени).
Согласно графику скорость образования дисперсных компонентов (скорость изнашивания) в любой момент времени может быть подсчитана как тангенс угла
наклона касательной к линии износа:
Рисунок 10.10 – Кривая изнашивания
 (t ) 
vизн  Vизн
dVизн
.
dt
(10.1)
Изменения скорости образования дисперсных компонентов из материала
деталей (скорости изнашивания деталей) по времени работы обусловлены [90]:
- увеличением (реже уменьшением) номинальной площадки контакта и
соответствующим изменением контактных давлений при взаимодействии деталей механизмов и машин;
- увеличением внешнего силового воздействия вследствие роста динамических нагрузок и появления дополнительных нагрузок (при перекосе и заклинивании изношенных деталей);
292
- ухудшением условий снабжения трущихся поверхностей смазочным
маслом и нарушением нормального для данного сопряжения режима смазки
(утечки, снижение вязкости, потеря гидродинамического эффекта и др.);
- интенсификацией выделения тепла при трении или ухудшением отвода
тепла из зоны трения;
- нарушением кинематических связей трущихся деталей;
- увеличением количества и размеров дисперсных компонентов, попадающих в зону контакта трущихся деталей (при увеличении зазора между ними, при износе уплотнений и т.п.).
Начало изучению динамики изнашивания положил В. Ф. Лоренц (ВИСХОМ 1934 г.), установивший при анализе результатов стендовых испытаний
крючковых цепей три характерных периода на графике Vизн  Vизн (t ) [90]: период
 (t ) , коприработки t [0; t 2 ) с уменьшающейся скоростью изнашивания vизн  Vизн
гда tg1  tg 2 ; нормальный период работы t  [t 2 ; t 3 ) с постоянным значением
 (t )  const ; период аварийного износа t  t 3 , характеризующийся ускореvизн  Vизн
нием изнашивания (рис. 10.10).
Объёмный износ Vизн1 (объём дисперсных компонентов из материала поверхностей) за время приработки, именуемый первичным износом, может достигать в неблагоприятных случаях 30 – 50% от предельного износа Vизнп (рассуждения ведутся по аналогии с работой [90]). Приработка является полезным
процессом, от особенностей протекания которого в отдельных случаях зависит
скорость образования дисперсных фаз из материалов поверхностей в нормальный период работы деталей, но всегда следует стремиться к снижению первичного износа, так как именно на эту величину уменьшается предельный объёмный износ Vизнп .
Имеется восемь законов динамики изнашивания (динамики образования
дисперсных компонентов из материалов деталей), зафиксированных в работе
М. М. Тененбаума, типовые графики которых представлены на рис. 10.11. Самый простой их них – линейный (тип I); при этом уравнение, связывающее
объём дисперсных компонентов Vизн с длительностью t работы детали, имеет
вид:
Vизн  K  t.
(10.2)
При известном предельном износе Vизнп срок службы детали равен:
Тд 
Vизнп
.
K
(10.3)
Равномерное нарастание объёма дисперсного компонента по времени работы характерно для плужных отвалов, труб пневмотранспортных и гидротранспортных устройств, ступеней лестниц, настилов полов и пр. Износ этих
элементов не сопровождается существенным изменением условий их работы,
что и является причиной постоянства скорости изнашивания.
293
Рисунок 10.11 – Типовые графики динамики изнашивания
Закон изменения объёма дисперсных компонентов типа II характеризуется периодом приработки длиной t n и последующим стационарным периодом
изнашивания. Так изнашиваются во времени шарнирные соединения, подшипники скольжения, самозатачивающиеся инструменты и некоторые другие
узлы.
Монотонное и непрерывно продолжающееся до предельного износа Vизнn
снижение скорости изнашивания (рис.10.11, тип III) наблюдается у не самозатачивающихся режущих инструментов, неточных подшипников скольжения и
шестерён, подверженных абразивному изнашиванию. Наиболее простой вид
связи Vизн  Vизн (t ) в этом случае описывается степенным уравнением:
Vизн  K  t n ,
(10.4)
где для показателя степени справедливо следующее неравенство n  1 .
Прогрессирующее увеличение скорости изнашивания (тип IV) отражает
отрицательное влияние износа на условия трения деталей.
Уравнение динамики изнашивания может иметь вид зависимости (10.4),
но с показателем степени n  1; возможна и более сложная связь Vизн  Vизн (t ) , в
частности, экспоненциального типа.
График динамики изнашивания типа V характеризуется периодом
t  [0; t i ) отсутствия образования дисперсных компонентов и последующим возрастанием скорости изнашивания.
На основе анализа, выполненного в ВИСХОМ, у М.М. Тененбаума сформулированы постулаты динамики изнашивания деталей машин. Рассматривая
износ только в виде отделения материала с поверхностей трения и закон динамики изнашивания только как изменение объёма дисперсных компонентов (об294
разовавшихся при изнашивании) с течением времени, постулаты можно сформулировать с использованием других терминов по аналогии с Тененбаумом:
1. Для каждой конструктивной разновидности деталей и типовых условий
их работы имеется вполне определённый закон изменения объёма дисперсных
компонентов во времени (объём дисперсных компонентов равносилен объёмному износу). Изменения в процессе изнашивания исходных параметров детали
приводят к возникновению закономерных причинно-следственных связей.
2. При постоянстве внешних условий работы деталей закон изменения
объёма дисперсных компонентов не зависит от абсолютных значений нагрузок,
абразивного действия твёрдых частиц и др., но в границах сохранения данного
процесса изнашивания деталей. Второй постулат является допущением независимости изменения объёма дисперсных компонентов во времени от факторов,
не связанных с конструкцией детали, и подчёркивает определяющее значение
 ).
конструктивных факторов в формировании обратной связи Vизн  F (Vизн
Это допущение теряет смысл только в тех случаях, когда при изменении
интенсивности внешнего воздействия на поверхностный слой деталей картина
изнашивания материала изменяется коренным образом (например, при переходе от абразивного изнашивания к схватыванию).
3. Закон изменения объёма дисперсных компонентов во времени качественно не зависит от износостойкости материала деталей.
Третий постулат, так же, как и все остальные, исходит из признания первостепенной значимости конструктивных факторов в развитии изнашивания
деталей во времени. Это допущение справедливо при некоторых ограничениях
– однородности материала по износостойкости; невозможности коренного изменения процесса изнашивания при замене одного материала другим и т.п.
4. Критические точки на графиках, выражающих изменение объёма дисперсных компонентов во времени, для данной детали достигаются при одинаковых значениях износа, независимо от износостойкости материала детали, её
контактной нагруженности и других внешних факторов, которые не меняются в
пределах полного срока службы детали.
Это допущение иллюстрируется графиком типа VI (рис.10.11), на котором
знак ускорения изнашивания деталей изменяется при значениях объёма дисперсных компонентов Vиз1 и Vизнп независимо от расположения приведённых
кривых изменения объёма дисперсных компонентов во времени, имеющих
только различные масштабы по оси абсцисс.
Детали, работающие в условиях гидродинамического режима смазки, изнашиваются в основном только в периоды пуска или остановки машины. Изменение объёма дисперсных компонентов, отделённых от таких деталей, отражает
частоту пуска и остановок машины, так как износ деталей при стационарном
режиме жидкостного трения практически отсутствует.
При пружинном приложением нагрузке ход изнашивания деталей следующий: скорость изнашивания убывает из-за снижения усилия прижатия трущихся деталей (тип VII) и доходит к моменту времени t j до нуля, если износ
295
равен натягу пружинного элемента. Однако работоспособность деталей может
быть утрачена ещё раньше при износе Vизнп , и срок службы ограничен значением
Tд , если для правильного функционирования этих деталей нужна определённая
нормальная сила.
Рисунок 10.12 - Окисление
Неоднородность свойств материала по глубине также служит причиной
искажения динамики изнашивания, присущей детали данной конструкции.
Графики изнашивания типа VIII деталей из цементованной стали отражают послойное изменение износостойкости материала.
Определяющее влияние конструктивных факторов на изменение объёма
дисперсных компонентов во времени чётко проявляется только при неизменных внешних условиях работы деталей. Если же условия изменяются постепенно или периодически, то график динамики изнашивания будет нераздельно
отражать влияние как конструктивных, так и эксплуатационных факторов [76].
Генерируемые в процессе изнашивания трибосопряжений дисперсные
компоненты в среде нефтяных масел влияют на окисление данных смазочных
материалов и, следовательно, на образование дисперсных компонентов, обусловленных окислением.
Влияние дисперсных продуктов изнашивания на окисление нефтяных масел обусловлено составом пар трения. Наиболее активно ускоряют окислительный процесс медь, свинец и их сплавы, марганец, хром; несколько меньше –
железо, олово. Относительно слабо катализируют окисление цинк и алюминий.
Активность перечисленных металлов может меняться в зависимости от конкретных условий, в которых идёт окисление [91]. При окислении масел в присутствии двух катализаторов, данный процесс протекает более интенсивно (рис.
10.12).
Таким образом, дисперсные компоненты, образующиеся при изнашивании, могут стимулировать образование смол, асфальтенов, карбенов и карбоидов. В
296
связи с этим, уменьшение износа способствует повышению не только долговечности деталей, но и долговечности нефтяных масел.
Дисперсные компоненты, попадающие в узлы трения машин
из внешней среды
Пыль
Ещё одной разновидностью дисперсных компонентов, которые могут содержаться в нефтяных смазочных маслах, являются частицы, попадающие в узлы трения из внешней среды. Сюда следует отнести, прежде всего, дисперсные
частицы пыли. Известно [81], что в пыли содержится до 82% кварца и корунда.
Данные вещества имеют высокую твёрдость и вызывают абразивное изнашивание трущихся деталей.
Концентрация пыли в воздухе непостоянна, она зависит от погоды, направления и силы ветра, времени года, от особенностей промышленного производства и многих других факторов. Высокие температуры и очень малое количество осадков в течение продолжительного периода способствуют процессу
пылеобразования, который усиливается движением транспорта.
Запылённость воздуха с увёличением расстояния от почвы резко снижается. С увеличением скорости некоторых агрегатов запылённость воздуха может увеличиваться.
При износе уплотнений и других вариантах нарушения герметичности
узлов трения машин, пыль проникает в зазоры сопряжений и непосредственно
влияет на износ сопрягаемых деталей. Степень влияния зависит от минералогического состава, размера и формы частиц пыли. В зависимости от расстояния от
почвы до поверхностей узлов трения пыль может содержать в различных процентных соотношениях двуокись кремния, окиси алюминия, кальция, железа и
карбонатов различных элементов.
В летнее время на дорогах может содержаться 1,5  2,0 г / м 3 пыли, которая
при воздействии ветра и движения машин может образовывать пыльные облака. Величина и стабильность пыльного облака зависят главным образом от
структуры почвы, скорости движения машин, направления и силы ветра. Поднятая колёсами грунтовая пыль не только оседает в виде мелких абразивных
частиц на поверхности, но и проникает внутрь узлов и агрегатов.
При работе двигателя в условиях запылённого воздуха зазор между подшипниками увеличивается в 9 – 10 раз быстрее, чем в условиях чистого окружающего воздуха.
Исследованиями установлено [81], что 1/6 часть пыли, попавшей в цилиндры, выбрасывается при выхлопе, а остальная часть задерживается в двигателе. При этом 1 г пыли, попавшей в цилиндр, может вызвать увеличение его в
диаметре в верхнем поясе до 10 мкм.
Твёрдые частицы пыли особенно отрицательно влияют на износ коренных и шатунных шеек коленчатого вала двигателя. Износ шеек коленчатого ва297
ла и вкладышей подшипников двигателя, проработавшего 100 ч под нагрузкой
в условиях технически чистого воздуха, не превышает 10  14 мкм , при запылённости же воздуха на входе в воздушный фильтр 2  3 г / м 3 износ этих деталей
достигает 90  100 мкм .
Опыт эксплуатации показал [81], что в трансмиссии тракторов проникает
значительное количество пыли, вызывающей преждевременное изнашивание и
последующее разрушение деталей коробки передач и заднего моста. Дисперсные компоненты масла могут быть горючими и негорючими. В свою очередь
негорючая часть делится на металлические продукты изнашивания трансмиссии и на почвенную пыль, которая может попадать при заливке масла и в процессе работы тракторов через уплотнения и другие неплотности соединений
трансмиссии. Возможные причины попадания пыли в трансмиссию – периодический нагрев и охлаждение заключённого в ней воздуха и возникший в связи с
этим газообмен с наружной средой. В процессе выполнения трактором различных работ в результате нагрузок, действующих на корпусные детали трансмиссии, и упругих деформаций рамы трактора при поворотах и переездах через
препятствия, крепления постепенно ослабляются, что нарушает герметизацию
трансмиссии и облегчает попадание в масло пыли [72, 81].
Для установления качественной и количественной картины попадания
абразива в трансмиссии тракторов в НАТИ проведены стендовые испытания
ряда машин. Исследования показали, что нормативный срок замены трансмиссионного масла соответствует 0,25 – 0,30 %-ному засорению его абразивными
примесями.
Установлено, что при нарушении сроков замены масла содержание в нём
негорючих примесей (в основном абразивных частиц) часто достигает значительных величин. Содержание механических примесей в масле ко времени его
замены составляет в среднем 0,5% (от массы). Такой высокий процент наблюдается при недостаточной герметичности трансмиссии.
Согласно результатам исследований Е.С. Кузнецова, после пробега автомобиля 6000 – 8000 км в масле коробки передач накапливается 0,3 – 0,58%, а
заднего моста – 0,28 – 0,4% механических примесей. Накопление механических
примесей в агрегатах трансмиссии зависит от пробега автомобиля.
Стендовые испытания показали [72, 81], что износ деталей в коробках передач, работающих в масле, загрязнённом пылью (0,8 – 2,4%), в 1,5 – 5,5 раза
больше, чем на чистом масле.
Частицы грунтов, находящиеся в воздухе, оседают на выдвижные незащищённые поверхности штоков силовых цилиндров, золотниковых распределителей, покрытых плёнкой масла, и при возвратном ходе через зазоры изношенных уплотнений втягиваются в полости, затем смываются потоком рабочей
жидкости и разносятся по всей системе.
Приведённые рассуждения и примеры (с учётом сведений из предыдущих
разделов) позволяют сделать следующие основные выводы:
298
1. Абразивные дисперсные компоненты, попадающие в масло из внешней
среды, стимулируют возникновение дисперсных компонентов, образующихся
вследствие изнашивания.
2. Дисперсные компоненты из внешней среды в совокупности с дисперсными компонентами, образовавшимися при изнашивании, способствуют образованию дисперсных компонентов, вызываемых окислением нефтяного масла.
Дисперсные компоненты, целенаправленно добавляемые
в нефтяные масла для улучшения их триботехнических свойств
Важной разновидностью дисперсных компонентов, которые могут содержаться в нефтяных смазочных маслах, являются целенаправленно вводимые
в них высокодисперсные добавки, состоящие из частиц металлов и сплавов,
твёрдых смазочных материалов и других веществ.
И. В. Корогодский, рассматривая дисперсные частицы износа (при приработке), условно разделил их на две группы: 1-я группа – твёрдые частицы
крупных размеров (свыше 5 мкм), которые должны из смазочного масла удаляться; 2-я группа – измельчающиеся мягкие частицы и мелкие частицы, которые должны в масле сохраняться, так как они дают положительный эффект.
Таким образом, рассматривается полезная сторона дисперсных компонентов, описанных в разделе 1.1.2 данной работы.
Степень влияния дисперсных частиц второй группы на интенсивность
приработки и изнашивания пар трения зависит от их концентрации в масле. По
данным И. В. Корогодского оптимальной является концентрация в 2,5%. Естественным путём такая концентрация продуктов износа достигается не сразу.
Для искусственного повышения этой концентрации с успехом применены высокодисперсные добавки к маслу – органозоли железа [85].
Предложенная в работе [73] гипотеза, по которой антифрикционными
свойствами обладают материалы, способные выделять в процессе изнашивания
при трении высокодисперсные частицы, была развита И. В. Корогодским и распространена на процесс приработки. В общем виде развиваемые им взгляды на
роль высокодисперсных частиц в масле в процессе приработки могут быть
сформулированы в виде рабочей гипотезы следующим образом. Наличие в зазоре узла трения высокодисперсных частиц с сольватными слоями, которые
схематически можно представить в виде своеобразных «ежей», покрытых в
пристенном слое ворсом активных молекул, существенно улучшает процессы
трения и изнашивания прирабатываемых поверхностей.
При этом высокодисперсные частицы выполняют следующие, по мнению
И. В. Корогодского, важные функции [83]:
а) заполняют, зашпаклёвывают микровпадины, адсорбируясь на поверхностях трения за счёт свободных связей молекул пристенного слоя, и увеличивают площадь фактического контакта, а, следовательно, снижают удельное
давление в сопряжении;
299
б) прочно адсорбируются на микровыступах и повышают адгезионную
способность смазочного масла, что приводит к резкому сокращению случаев
разрыва и полного исчезновения смазочной плёнки, и уменьшению точек контакта поверхностей трения в граничных условиях, способствуя уменьшению
числа случаев схватывания и задира, в процессе приработки;
в) повышают несущую способность смазочной плёнки и благодаря образованию полимолекулярных слоёв смазочного масла создают возможность относительного перемещения поверхностей трения за счёт сдвига и скольжения
пристенных слоёв смазочного материала, обладающих свойствами квазитвёрдого тела и низким коэффициентом трения;
г) обеспечивают пластифицирование тончайших поверхностных слоёв,
тонкое диспергирование и выглаживание выступающих микронеровностей за
счёт расклинивающего действия поверхностно-активных веществ, содержащихся в смазочном масле.
При повышении давления конгломераты частиц пептизируются, увеличивая свою дисперсность. Эти частицы по величине меньше толщины масляной
плёнки и не воздействуют абразивно на поверхности трения, препятствуя до
определённых пределов возникновению контакта поверхностей трения деталей
машин и механизмов [83].
Рисунок 10.13 – Срезы поверхности трения
Были проведены металлографические исследования (при увеличении
х1000) микрошлифов косых срезов с поверхностей, заблокированных слоем
гальванически осажденного железа [83]. У образца, который не работал
(рис.1.5, а) ясно видна у поверхности трения не травящаяся белая полоска,
имеющая значительную ширину и повторяющая микрогеометрию с острыми
пиками и впадинами. У образца, который испытывался на стандартном масле
(рис.1.5, б), закончился первый этап приработки, а второй этап – образование
новой микрогеометрии, присущей данным условиям работы, – окончен частично либо полностью. Новый микрорельеф также состоит из выступов и впа300
дин с заострёнными пиками. Поверхностный слой вновь подвергся местным
термическим воздействиям, теперь уже в результате трения, поэтому белая полоска имеет существенную ширину. Существенно отличающаяся картина получена на микрошлифе образца, работавшего на масле с органозолями железа
(рис.10.13, в). Поверхность гладкая и может обеспечить восприятие более высоких нагрузок, чем в предыдущем случае. Приработка полностью закончилась.
Образование такой поверхности происходило в присутствии органозолей железа без особых локальных повышений температуры, что подтверждается меньшей шириной белой полоски. Поэтому образовавшийся активный слой более
однороден, следовательно, обеспечивает более высокую долговечность и износостойкость поверхностей. При исследовании свойств органозолей железа [83]
был обнаружен эффект последействия. Он заключается в том, что благодаря
высокой адгезии и активным связям органозоли продолжают удерживаться на
поверхностях трения даже после замены стандартным маслом и способствуют
тонкому диспергированию при последующей приработке в новых условиях
трения, препятствуя схватыванию микровыступов. Например, после двухчасовой приработки на органозолях железа возможна нормальная работа на стандартном масле пары трения с четырёхкратной перегрузкой, что без органозолей
достичь невозможно.
В качестве целенаправленно вводимых в смазочные масла металлических
дисперсных компонентов используются также высокодисперсные порошки из
частиц свинца, меди, серебра, олова и других металлов, а также сплавов. Например, препарат «Lubrifilm metal» представляет собой тонкодисперсный порошок, состоящий из частиц свинца, внедренных в кристаллическую матрицу
из медно-серебряного сплава; препарат «РиМЕТ» состоит из ультрадисперсных
порошков (размером частиц до 0,1 мкм) сплава меди, олова и серебра в базовой
нейтральной основе; препарат REPOWER, состоящий из 60% частиц меди сферической формы диаметром 1,0-8,2 мкм и 40 % таких же частиц свинца диаметром около 1,0-2,7 мкм. Такие препараты называются металлоплакирующими и
используются для реализации восстановительных мероприятий.
Другой, качественно иной, разновидностью дисперсных компонентов,
вводимых в нефтяные смазочные масла, являются высокодисперсные порошки
твёрдых смазочных материалов.
Хорошими твёрдыми смазочными материалами, имеющими слоистую
структуру, являются такие вещества, как графит, дисульфид молибдена, тетраборат натрия, хлорид кадмия, нитрид бора, иодид свинца, хлорид кобальта,
сульфат серебра и стеарат цинка. В присутствии влаги воздуха иодид снижает
трение. Возможно также использование сульфидов тяжёлых металлов, селенидов и теллуридов [82]: MoSe2 , WSe2 , WS2 , MSe2 , NbS2 , NbSe2 , TaS2 , TaSe2 ,
AsSbS 4 и AsAsS 4 . В большинстве случаев они имеют слоистую гексагональную
структуру, хорошие антиокислительную и химическую стабильность и электропроводимость и применяются в виде порошков, суспензий, золей и антифрикционных лаковых покрытий. Данные высокоанизотропные материалы обладают различной прочностью на срез в разных направлениях кристаллической
301
решётки. Диспергированные в смазочном масле высокодисперсные частицы
твёрдых смазочных материалов коагулируют с поверхностями деталей и в процессе трения ориентируются базовыми плоскостями кристаллитов почти параллельно направлению скольжения, что обеспечивает срез частиц вдоль плоскостей спайности под воздействием тангенциальных сил. Именно в этом направлении сопротивление срезу незначительно, что и объясняет механизм смазочного действия твёрдых смазочных веществ и их дисперсий в данном случае.
Известно, что коллоидные дисперсии твёрдых смазочных материалов проявляют противозадирные, противоизносные, антифрикционные и антипиттинговые свойства [89].
Наибольшее распространение получили вводимые в нефтяные смазочные
масла дисперсные компоненты из частиц графита и дисульфида молибдена.
В технике графит применяется в качестве смазочного материала уже более 140 лет. Первые дисперсии твёрдых смазочных материалов были получены
в конце XIX века Ачесоном и были им названы «ойлдаг» и «аквадаг». Ачесон
рассматривал диспергирование как процесс дезагрегирования. Окончание «даг»
составлено из начальных букв: «дезагрегация Ачесоном графита» [74].
Графит диамагнитен, имеет гексагональную решётчатую структуру и
анизотропную электропроводность, которая в направлении гексагональной оси
в 25 раз больше, чем в основной плоскости решётки кристалла. Графит имеет
очень высокую химическую стабильность и практически инертен к радиоактивному излучению. При нагреве на воздухе до температуры выше 4500С он
образует СО2 , который выделяется, не оставляя никаких измельчённых частиц.
Дисульфид молибдена MoS 2 (молибденит) имеет слоистую структуру и
кристаллизуется в гексагональную систему с тригональной симметрией. Он
имеет твёрдость по шкале Мооса 1,0 – 1,5 и уже более 50 лет применяется в качестве твёрдого смазочного материала. Дисульфид молибдена имеет очень высокую химическую стабильность, он стоек к большинству кислот и нечувствителен к радиоактивному излучению.
Смазывающее действие дисульфида молибдена, так же как у графита, основано на его кристаллической структуре [82]: слабые связи (силы Ван-дер-Ваальса) между слоями серы позволяют пластинкам свободно взаимно перемещаться, в результате чего снижается трение между трущимися деталями. С другой стороны, ионные связи между атомами Mo и S придают слоям высокую
прочность, так что они способны противостоять продавливанию со стороны
микровыступов трущихся поверхностей. В смазочном слое толщиной 2,5 мкм
содержатся 4000 слоёв ( S  Mo  S ) . Слои серы, образующие поверхность кристалла дисульфида молибдена, обеспечивают сильную адгезию к поверхности
металла. В зависимости от прилагаемых нагрузок достигаются коэффициенты
трения в пределах от 0,04 (при 140 МПа) до 0,02 (при 300 МПа).
Известно также введение в нефтяные смазочные масла дисперсных компонентов из частиц полимеров, геомодификаторов и других веществ.
302
На основании приведённых рассуждений и примеров (в том числе из предыдущих разделов) и дополнительной информации можно сделать следующие
основные выводы:
1. Все перечисленные дисперсные компоненты, в отличие от частиц пыли, износа, микроорганизмов и дисперсных продуктов окисления вводятся в
смазочные масла целенаправленно, наряду с пакетом присадок, для придания
им новых свойств или улучшения существующих.
2. Приращение концентрации данных компонентов в масле может быть
реализовано только при непосредственном участии человека, в отличие от частиц пыли, износа, микроорганизмов и дисперсных продуктов окисления.
3. Данные дисперсные компоненты не оказывают абразивного воздействия на поверхности трения (условно: антифрикционные частицы), в то время
как частицы пыли, износа и дисперсных продуктов окисления могут быть как
антифрикционными, так и абразивными.
4. Процесс взаимодействия данных дисперсных компонентов с частицами
пыли, износа, дисперсных продуктов окисления и микроорганизмами неизбежен в силу сосуществования и «стихийности» процесса их образования.
5. Данные дисперсные компоненты могут уменьшать образование частиц
износа, способствующих генезису дисперсных продуктов окисления, что говорит о снижении интенсивности окислительных процессов.
6. Данные дисперсные компоненты могут способствовать уменьшению
негативного влияния абразивной пыли на поверхности трения и могут улучшать смазочные свойства масла, поражённого микроорганизмами.
Общие свойства и особенности взаимодействия различных дисперсных
компонентов, содержащихся в нефтяных маслах
Все рассмотренные выше дисперсные компоненты отличаются по химическому составу, структуре, плотности, окислительной стабильности, механическим, триботехническим, биологическим и другим свойствам.
Наряду с отличиями можно выделить целый ряд общих свойств, присущих различным дисперсным компонентам:
1. Все данные компоненты обладают раздробленностью. При этом раздробленность определяется размером тела a по той оси, уменьшением которого
она достигнута. Раздробленность часто характеризуют величиной, обратной
размеру a , называемой дисперсностью [92]:
(10.5)
D  1/ a.
Широко применяется и третья характеристики раздробленности – удельная поверхность, определяемая отношением площади межфазной поверхности
к объёму дисперсной фазы (дисперсного компонента):
S уд 
S1, 2
Vдф
.
(10.6)
В общем случае для систем, содержащих одинаковые частицы произвольной формы [79]:
303
S уд  k f  a 1 ,
(10.7)
где k f  коэффициент, зависящий от формы частиц; а  выбранный линейный
размер частиц.
2. Различные дисперсные компоненты в ряде случаев способны адсорбировать поверхностно активные вещества, содержащиеся в маслах. В результате
данного процесса часть поверхностно активных компонентов, содержание которых оптимизировано, не идёт на образование полимолекулярных граничных
слоёв на поверхностях деталей.
3. Крупные частицы дисперсных компонентов, содержащиеся в маслах,
при сдавливании дробятся или абразивно воздействуют на поверхности трения.
4. Высокодисперсные компоненты различной природы и формы обладают способностью к шаржированию (заполнению микронеровностей) поверхностей трения.
5. Дисперсные компоненты различной дисперсности способны к дискретному экранированию поверхностей трения.
6. Дисперсные компоненты в зависимости от своей природы и условий
внешней среды способны коагулировать или флоккулировать с поверхностями
трения деталей машин.
7. Дисперсные компоненты, не зависимо от их природы, способны свободно перемещаться в смазочных маслах. Высокодисперсные компоненты совершают броуновское движение, грубодисперсные – процесс седиментации.
8. Способность при определённых условиях внешней среды под действием ряда факторов создавать слои на поверхностях трения:
- слой флоккулировавших между собою и с поверхностью трения абразивных частиц – абразивные дисперсные компоненты;
- слой – лак, нагар на поверхности трения деталей – смолы и асфальтены,
карбены и карбоиды;
- слой – металлическая композиционная плёнка – реметаллизанты;
- слой с анизотропной слоистой структурой – дисперсные твёрдые смазочные материалы;
- слой полимерный – полимеры;
- слой керамический (металлокерамический) – геомодификаторы;
- слой слизи из микроорганизмов и продуктов их жизнедеятельности –
бактерии, грибы, дрожжи.
9. Способность дисперсных компонентов любой природы к увеличению
вязкости смазочного масла.
Все перечисленные общие свойства связаны с взаимодействием частиц со
смазочными материалами и с поверхностями трения. Вместе с тем, реализуется
взаимодействие дисперсных компонентов между собою. При этом возможно
взаимодействие частиц одного дисперсного компонента между собою и взаимодействие между различными дисперсными компонентами.
При взаимодействии дисперсных компонентов возможны следующие варианты относительно роста количества частиц одного из них: подавление; нейтралитет; стимуляция (рис. 10.14).
304
Рисунок 10.14 – Варианты влияния одного дисперсного компонента на другой
При этом существует несколько возможных вариантов взаимодействия
двух различных дисперсных компонентов (рис.10.15).
Рисунок 10.15 – Варианты взаимодействия двух дисперсных компонентов
Такие взаимодействия возможны и для частиц разных размеров у одного
и того же дисперсного компонента.
В случае дисперсного компонента из частиц износа: частицы с размерами
до 5мкм [75, 76, 77] подавляют рост числа частиц износа (численности) или находятся в нейтралитете, а частицы с размерами более 5мкм стимулируют рост
численности дисперсного компонента. Аналогичное «внутривидовое противостояние» наблюдается и у пыли относительно роста количества частиц износа.
С увеличением количества дисперсных компонентов в масле число парных взаимодействий и вариантов взаимодействия начинает возрастать. Число
парных взаимодействий определяется по формуле:
N пв (n)  С n2 
n!
.
2!(n  2)!
(10.8)
Число вариантов взаимодействия (рис.1.7) для нескольких дисперсных
компонентов можно определить из соотношения:
N вв (n)  C n2  ( A32  3),
(10.9)
305
где n  количество дисперсных компонентов в масле, C n2  число сочетаний из n
элементов по 2, A32  число размещений из 3-х элементов по 2. Но C n2 
n!
и
2!(n  2!)
A32  3  2  6 , таким образом:
N вв (n) 
9
n!

.
2 (n  2)!
(10.10)
Рисунок 10.16 – Модель взаимодействия
При этом можно предположить, что парные взаимодействия могут отличаться при наличии вначале двух, а затем трёх или более дисперсных компонентов в смазочном масле. Из аналитического обзора видно, что в маслах может содержаться большое количество различных дисперсных компонентов одновременно. В этом случае имеет место значительное число парных взаимодействий и вариантов взаимодействия. Например, при наличии в масле 20 дисперсных компонентов (что вполне возможно) число парных взаимодействий
равно 190, а число вариантов взаимодействия 1710.
Основываясь на приведённой классификации и выводах, сделанных в
конце предыдущих разделов можно представить модель взаимодействия дисперсных компонентов (рис.10.16).
Обозначения на приведённой выше модели: САВ – смолисто-асфальтеновые
вещества; стрелки указывают направленность воздействия; П. – подавление роста числа частиц одного дисперсного компонента другим дисперсным компонентом; Н. – нейтральность во взаимодействии дисперсных компонентов; С. –
стимуляция роста числа частиц одного дисперсного компонента другим дисперсным компонентом; (П, Н, С) – подавление или нейтралитет или стимуляция.
306
10.3 Микробиологические повреждения масел, смазок
и специальных жидкостей
Микроорганизмы
Из работ Крейна С.Э., Фукса Г.И, Гаджиевой М.А., Гальцовой Н.Е.,
Вайнштока В.В. и других исследователей известно, что основными разрушителями нефтепродуктов являются микроорганизмы. В связи с этим, активно изучается микробный состав и количественное соотношение таких дисперсных
компонентов как микроорганизмы в товарных маслах. Микроорганизмы в смазочных маслах можно определить как дисперсные компоненты биологического
типа.
Нефтепродукты, содержащие меньшее количество живых организмов,
проявляют более высокую биостойкость, чем продукты, содержащие их в
большем количестве. Только 30 – 40% микроорганизмов, выделенных из нефтепродуктов (Гаджиева М.А.), способны разрушать масла, а остальные находятся в пассивной форме.
Родионовой М.С., Сергеевым Л.В., Паушкиным Я.М., Вишняковой Т.П. и
другими исследователями установлена динамика изменения роста микроорганизмов в зависимости от химического состава нефтепродуктов и от условий
среды (pH, температура, влажность) и условия их хранения и эксплуатации.
Выделенные Гаджиевой М.А. из поражённых нефтепродуктов микроорганизмы, в основном, оказались плесневыми грибами. В меньшем количестве
были представлены бактерии и дрожжи. Последние являются представителями
рода «кандида». Более 20 штаммов не были идентифицированы.
С целью предотвращения роста микроорганизмов в масла вводят органические соединения – производные 8-оксихинолина, галогенфенолов, арилтиолов, 2-(метоксикарбонил) этиловый эфир этилксантогеновой кислоты, диалкилфениловый эфир хлорциклогексил фосфина и др.
Исследованиями Гаджиевой М.А. установлено, что базовые масла ДС-11,
МС-20, Автол-6, веретённое и эти же масла с присадками ИХП-234, ИХП-388,
ИХП-476, ИНХП-21 и др. не обладают биостойкостью и быстро поражаются
микроорганизмами, поэтому необходимы противомикробные присадки.
Аналогично в состав смазочно-охлаждающих жидкостей (СОЖ), приготовляемых на основе масел, жиров, жирных кислот, жироподобных соединений
и др., как правило, вводят бактерицидные вещества, предотвращающие загнивание и заплесневение этих жидкостей.
Одним из основных факторов, обеспечивающих рабочие характеристики
СОЖ, является контроль прогорклости или размножения бактерий. Бактерии,
питаясь компонентами СОЖ, снижают pH среды, ухудшают их смазывающие
свойства и значительно снижают срок службы инструмента. Бактерии вызывают также коррозию инструмента.
Гаджиевой М.А., Сардаровой Г.М. и др. было выделено более 15 различных микроорганизмов из СОЖ и определено их влияние на изменение качеств
СОЖ. Установлено, что микроорганизмы в СОЖ, в основном, представлены
307
бактериями рода Псевдомонос и слизеобразующими и сравнительно меньше –
грибами.
Таким образом, существует большое количество дисперсных компонентов биологического типа (микроорганизмов) в смазочных маслах и смазочноохлаждающих жидкостях, которые существенно влияют на состав и свойства
данных нефтепродуктов.
Смазочные материалы различного назначения принято подразделять на
смазки, масла и специальные жидкости [101, 102]. Ассортимент отечественных
смазочных материалов в настоящее время насчитывает до 220 марок. Рекомендации по применению масел, смазок для защиты ВВТ даны в ГОСТ В 18241-85
[103].
Для консервации изделий, в основном, применяют консервационные (защитные) пластичные смазки, которые по основному назначению подразделяют
[102] на три основные группы: антифрикционные, защитные и уплотнительные.
Антифрикционные смазки предназначены для снижения изнашивания и
трения в механизмах, для герметизации и защиты от коррозии узлов трения изделий. Номенклатура антифрикционных смазок насчитывает более 100 наименований. Всем антифрикционным смазкам присущи, в той или иной степени,
защитные и уплотнительные свойства [101, 102, 104]. Основные антифрикционные смазки: смазка 1-13 жировая, литол-24, солидол С, УС-2, УС-1, ЦИАТИМ-201, ЦИАТИМ-203, ГОИ-54П, МУС-3А, МС-70 [102, 105]. Защитные
свойства этих смазок различны: низкие у 1-13, УС - предотвращают коррозию в
неотапливаемых хранилищах до 2-х лет; чуть выше эти свойства у смазок литол-24, солидол-С, ЦИАТИМ-201, ГОИ-54П, которые защищают изделия в
неотапливаемых помещениях до 4-5 лет [102]. Смазки ЦИАТИМ-203, МУС-3А
обеспечивают защиту до 7 лет. Общими недостатками этой группы смазок являются: низкая водостойкость, низкая максимальная температура применения,
недостаточная механическая стабильность, изготавливаются с применением
дефицитного сырья [102, 128].
Защитные смазки предназначены для предохранения металлических поверхностей от коррозии [101, 102, 105]. К ним относятся: смазка МЗ, ПBK,
смазки AМC-1 и АМС-3. Наилучшими защитными свойствами из них обладает
универсальная смазка МЗ, защищающая изделия в неотапливаемых хранилищах до 7 лет [102]. Основным недостатком применения смазки ПВК является
увеличение вязкости при температурах выше 10 °С и при минусовых температурах.
Кроме пластичных различают [102, 103] жидкие консервационные смазки, номенклатура которых весьма ограничена: НГ-203А, K-17, НГ-204У и НГ208, а применяют их для защиты нетрущихся поверхностей механизмов изделий. Эффективно их применение только в условиях, исключающих попадание
на смазку влаги (осадков, конденсата и т.п.). K-17, НГ-203 защищают в неотапливаемых помещениях до 7 лет, а НГ-204У и НГ-208 - 2-3 года [102].
По современным представлениям [101, 102, 104] пластичные смазки
представляют собой структурированные дисперсии загустителя в масле, явля308
ются двухкомпонентными коллоидными системами. Жидкий компонент (масло) является дисперсионной средой, а твердые (частицы загустителя) - дисперсной фазой. В качестве дисперсной среды используются нефтяные и синтетические масла. А в качестве дисперсной фазы используют твердые и полутвердые углеводороды (парафин, церезин, петролатум) и мыльные загустители различных металлов.
Масла и специальные жидкости предназначены для уменьшения трения
между движущимися механизмами, снижения их изнашивания, кроме того они
широко применяются для защиты от коррозии [101, 102, 103, 104, 105]. По
внешнему виду, физико-химическим свойствам, механизму защитного действия
они отличаются от смазок. При добавлении в них ингибиторов они используются, в основном, как консервационные и рабоче-консервационные масла,
предназначенные для наружной и внутренней консервации изделий при хранении. В качестве ингибиторов (маслорастворимых присадок) для получения рабоче-консервационных масел используются AKOP-1, АКОР-2, КП-1, МНИ-5,
СИМ и др. [105], они улучшают защитные свойства масел, практически не изменяя эксплуатационных. Вместе с тем, по сравнению со смазками масла обладают более слабыми защитными свойствами в отношении металлов и ЛКП
[102], особенно при действии на них конденсированных пленок влаги. Кроме
того, они не защищают неметаллические материалы от старения, наоборот, они
ускоряют этот процесс при попадании на текстильные, кожаные, лакокрасочные, большинство резиновых и полимерных материалов.
В ряде работ [106-109] имеются сообщения о том, что в результате развития микроорганизмов в смазках и маслах, последние приобретают запах сероводорода, становятся серыми или черными, приобретают резко кислую или щелочную реакцию, ускоряются процессы коррозии защищаемого металла, значительно сокращаются сроки защитного действия. Введение в масла и смазки ингибирующих присадок несколько улучшают их противокоррозионные свойства,
однако, проведенные исследования [108] показали, что сами маслорастворимые
ингибиторы, например, AKOP-1 не биостойки, не предохраняют смазочные материалы от поражения их микроорганизмами.
Биоповреждение (биологическое повреждение) – это любое изменение
(нарушение) структурных и функциональных характеристик объекта, вызываемое биологическим фактором [110, 111, 112]. Под биологическим фактором
подразумевают организмы или их сообщества, воздействие которых на объект
техники нарушает его исправное или работоспособное состояние. Наиболее
агрессивны по отношению к материалам и изделиям микроорганизмы (микроорганизмы-деструкторы, биодеструкторы): микроскопические грибы, бактерии,
дрожжи [110, 113]. Являясь составной частью окружающей среды, биодеструкторы в силу специфики своей жизнедеятельности способны быстро адаптироваться к самым различным материалам и постоянно изменяющимся условиям.
Практически все используемые в изделиях техники материалы подвержены повреждающему воздействию микроорганизмов – микробиологическому повреждению [110, 113].
309
Достаточно полно исследованы микробиологические повреждения горюче-смазочных материалов (ГСМ), в том числе масел и смазок [114-120, 121].
Установлено, что ряд видов микроорганизмов, обладая способностью ферментативного окисления жидких углеводородов, используют их в качестве источника питания. Ассимилируя такие углеводороды и воздействуя на них продуктами жизнедеятельности, микроорганизмы-деструкторы приводят к разложению и потере рабочих свойств материала. Нефтяные топлива и продукты из них
подвержены микробиологическому повреждению как при хранении и транспортировании, так и в эксплуатационных условиях [122-126].
По данным работы [127] все моторные, дизельные, вазелиновые, веретенные, авиационные, почти все трансмиссионные и изоляционные масла и пластичные смазки неустойчивы к грибам и бактериям. При воздействии этих
микроорганизмов большинство показателей свойств масел и смазок (вязкость,
кислотное число, стойкость к окислению и др.) существенно изменяет свои
значения. Возникает коррозия узлов и деталей, контактирующих с поврежденными маслами и смазками.
Многие авторы [116-118] отмечают большую зависимость микробиологической стойкости ГСМ даже одного и того же типа от исходного сырья и
технологии изготовления. Так, масла различного назначения из анастасиевской
нефти (Россия) наиболее устойчивы, а трансформаторное масло из этой нефти
считают «абсолютно устойчивым» к микроорганизмам [127]. Такие отличия
обусловлены особенностями группового и индивидуального углеводородного
состава конкретного материала. Установлено также, что многие соединения серы, имеющиеся в сернистой нефти, значительно снижают микробиологическую
стойкость изготовленных из нее масел. В то же время имеющиеся в смолистых
фракциях нефти азотосодержащие соединения оказываются активными биоцидами – веществами, убивающими микроорганизмы.
Среди многочисленных способствующих микробиологическим повреждениям ГСМ внешних условий определяющими являются наличие в материале воды, минеральных примесей (загрязнений) и оптимальной для развития
микроорганизмов температуры.
Масла и смазки наиболее часто повреждаются грибами Aspergillus niger,
Penicillium variabile, Penicillium chrysogenum, Penicillium verrucosum, Scopulariopsis brevicaulis, бактериями Bacillus subtilis, Bacillus pumilus, Bacillus licheniformis [110, 113, 127, 128].
310
11 ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ И ЛУЧЕВЫЕ МЕТОДЫ
ОБРАБОТКИ
В машиностроении непрерывно возникает ряд технологических проблем,
связанных с обработкой новых материалов или с изготовлением изделий, форму и состояние поверхности которых трудно или невозможно получить традиционными механическими способами обработки. К таким проблемам относятся
обработка особо прочных, очень вязких, твердых и хрупких материалов (твердых сплавов, германия, кремния, алмаза, кварца, керамики и многих других).
Можно назвать еще ряд технологических проблем, таких как обработка тонкостенных нежестких деталей; пазов и отверстий, имеющих размеры в несколько
микрометров; поверхностей с малой шероховатостью, с малой толщиной дефектного поверхностного слоя; изделий из сверхтонкой ленты; удаление деформированного слоя, снятие заусенцев.
Перечисленные и ряд других технологических задач могут быть разрешены применением электрофизических (ЭФО) и электрохимических (ЭХО) методов обработки. Для осуществления размерной обработки ЭФО и ЭХО методами
используют электрические, звуковые ударно-импульсные воздействия и различные виды лучевой энергии.
Эти методы обработки успешно дополняют обработку резанием, а в отдельных случаях имеют преимущества перед ней.
Сущность обработки указанными методами заключается в протекании на
поверхности обрабатываемых деталей тех или иных эрозионных процессов.
Эрозия металлов - постепенное послойное разрушение поверхности металла под влиянием:
 механических воздействий (истирание, выкрашивание);
 химического или электрохимического растворения;
 выбросов частиц металла под действием электрических зарядов (электроэрозия);
 локального испарения материала под действием лучевой энергии
(пучка электронов или луча лазера);
 кавитации.
Очень важно, что при этом механические характеристики обрабатываемого материала (прочность, твердость, вязкость и другие) не оказывают существенного влияния на скорость, качество обработки, износ инструмента, поскольку механические нагрузки на инструмент и заготовку либо отсутствуют
благодаря зазору между деталью и инструментом, либо уменьшаются до величин, практически не влияющих на состояние поверхности и точность обработки.
Большинство ЭФО и ЭХО методов позволяет не только изменять форму
обрабатываемой детали, но одновременно влияет и на состояние поверхностного слоя, например, снимает наклеп, разрушенный предыдущей обработкой поверхностный слой, удаляет прижоги и другие дефекты. При этом повышаются
311
износостойкость, коррозионная стойкость, прочностные и другие эксплуатационные характеристики.
Рассмотрим основные, наиболее применяемые и перспективные методы
обработки: электроконтактную, электроэрозионную, анодно-механическую,
электрохимическую, электронно-лучевую и лазерную.
Кроме указанных методов нашли применение и другие, такие как химические, импульсно-механические, плазменные, взрывные и некоторые другие. Часто применяют комбинированные методы, дающие больший эффект, чем каждый из них в отдельности.
11.1 Электрофизические методы обработки материалов
Электроконтактная обработка (ЭКО) основана на локальном нагреве
заготовки в месте контакта ее с инструментом-электродом и удалении размягченного или даже расплавленного металла из зоны обработки механическим
способом за счет относительного перемещения электродов.
Основными параметрами ЭКО являются напряжение она электродах и
давление между электродами. В зависимости от значения этих параметров
можно выделить два основных варианта ЭКО.
а) При низких напряжениях (6–12 В) и малых давлениях (до 1 кг/см2, при
повышении давления появляются деформации поверхностного слоя) съем металла осуществляется за счет нагрева сопротивлением, так как дуговые разряды
при разрыве перемычек не возникают.
б) При повышенных напряжениях (20–40 В) металл удаляется дуговыми
разрядами; давление между электродами практически отсутствует и процесс
приближается к электродуговому оплавлению.
В зависимости от вида инструмента (диск, резец, сверло, проволочная
щетка и др.), характера относительного движения инструмента и детали, среды,
в которой протекает процесс (воздух, реже вода или масло), рода используемого тока (переменный, реже постоянный) ЭКО имеет много разновидностей.
Рассмотрим наиболее характерную схему обработки диском, работающим периферией (рисунок 11.1).
Рисунок 11.1 – Схема ЭКО диском
312
К электроду-инструменту 1 через токосъемник 2 от понижающего трансформатора 3 подводится переменный ток промышленной частоты напряжением
от 6 до 40 вольт. Другим электродом является обрабатываемая заготовка 4, получающая движение подачи. Сила тока может достигать 5000–8000 А.
В качестве материала инструмента применяют чугун или медь. Производительность процесса определяется окружной скоростью диска, поддерживаемой в пределах 50 - 80 м/с. При большей скорости возникает вибрация, при
меньшей ухудшается теплоотвод от диска, что приводит к заметному износу
инструмента.
Достоинства метода:
 Высокая производительность. Например, при обдирке она достигает
5
7·10 мм3/мин.
 Низкий расход электроэнергии. ЭКО является самым энергетически
эффективным из группы электроэрозионных. Так, удельный расход энергии в
кВт·ч/кг составляет для ЭКО – 0,8–1,0; электроискрового – 12–14; анодномеханического – 5–10; электрохимического – 10–20.
Недостатки:
 Высокая шероховатость и низкая точность обработанной поверхности
(при максимальной производительности Rz = 320 и грубее). Этот метод является
самым грубым из всех эрозионных.
 Возможность образования дефектного поверхностного слоя, особенно
с увеличением контактных давлений свыше 1 кг/см2. В отдельных случаях остаточные напряжения и микротрещины могут достигать глубины 2 - 3 мм.
Исходя из сказанного, можно рекомендовать использовать ЭКО на заготовительных операциях (разрезка проката и слитков), при зачистке отливок
(отрезка литников и прибылей), при черновой обработке заготовок из труднообрабатываемых сплавов, для очистки окалины (в этом случае применяют электрод-инструмент в виде проволочной щетки) и т.п.
Разновидностью ЭКО является электромеханическое точение (сверление), выполняемое по аналогичной схеме обычными резцами и сверлами. В результате разогрева поверхностного слоя заготовки резко снижаются усилия резания, повышается обрабатываемость, снижается износ режущего инструмента.
Чистота обработки достигает Rz = 5 мкм. Характерной особенностью данного
метода является упрочнение поверхностного слоя, что повышает усталостную
прочность деталей.
Пример. При обработке стали 45 резцами из сплавов ВК8 и Т15К6 при
плотностях тока 120 А/мм2 и скорости резания 100 м/мин износ инструмента
снижался в 4–5 раз по сравнению с обычным точением (сверлением).
Электроэрозионная обработка (ЭЭО) основана на процессе электроэрозии, открытом в 1943 г Б.Р. и Н.И.Лазаренко. Сущность процесса электроэрозии
заключается в разрушении поверхности электрода (анода) при электрическом
пробое межэлектродного промежутка. Пробой может происходить как в газовой среде (воздух), так и в диэлектрической жидкости (керосин, минеральное
масло, вода), причем в жидкой среде процесс протекает интенсивнее.
313
При разности потенциалов на электродах происходит ионизация межэлектродного промежутка. Когда напряжение достигнет определенного значения, в среде между электродами образуется канал проводимости, по которому
устремляется электрическая энергия в виде импульсного разряда (от катода к
аноду).
При высокой концентрации энергии, расходуемой за 10 -5–10-8 с, мгновенная плотность тока достигает 8000–10000 А/мм2, в результате чего температура
на поверхности анода (заготовки) возрастает до 10000–120000С. Элементарный
объем металла мгновенно расплавляется и под действием электродинамических
и электростатических сил вырывается с поверхности с образованием лунки.
Удаленный металл застывает в диэлектрической жидкости в виде гранул диаметром 0,005 - 0,01 мм. При непрерывном подведении импульсов к электродам
эрозионный процесс будет продолжаться до тех пор, пока с анода не будет удален весь металл, при котором возможно возникновение пробоя (0,01–0,05 мм в
зависимости от напряжения импульса). Следовательно для продолжения процесса необходимо либо повысить напряжение, либо сблизить электроды.
Обычно сближают электроды за счет подачи инструмента с помощью следящих
систем.
В промышленности применяют три основных вида ЭЭО – электроискровую, электроимпульсную и высокочастотную электроискровую.
При электроискровой обработке (ЭИО) используют импульсные искровые разряды между электродами, один из которых обрабатываемая заготовка
(анод), а другой инструмент (катод). Используют различные генераторы импульсов: RC, RLC, LC (R – резистор, С – емкость, L – индуктивность), а также
ламповые генераторы.
Схема электроискрового станка с генератором импульсов RC (резисторемкость) показана на рисунке 11.2.
Рисунок 11.2 - Схема электроискровой установки
1 - инструмент катод; 2 - заготовка анод;
3 - диэлектрическая жидкость; 4 - изолятор
Работа схемы заключается в следующем. Конденсатор С заряжается через
резистор от источника постоянного тока напряжением 100 - 200 В. При дости314
жении на подключенных параллельно конденсатору электродах 1 и 2 напряжения, равного пробойному, образуется канал проводимости, через который осуществляется разряд всей энергии, накопленной конденсатором.
Параметры схемы релаксационного генератора существенно влияют на
характеристики процесса. При увеличении емкости С запас энергии, накопленный в конденсаторе, увеличивается и, следовательно увеличивается объем лунки, то есть производительность процесса обработки.
Повышение сопротивления резистора увеличивает время зарядки конденсатора, то есть снижает производительность. Поэтому стремятся уменьшить величину R, однако при уменьшении сопротивления ниже определенного значения эрозионный процесс становится неустойчивым вследствие срыва релаксации и переходит в дуговой. На практике применяют импульсы длительностью
от 20 до 200 мкс. В зависимости от энергии, реализуемой в импульсе все режимы ЭИО делят на 4 группы (таблица 11.1).
Таблица 11.1 - Режимы электроискровой обработки
Емкость,
мкФ
Производительность,
мм3/мин
Энергозатраты,
кВт·ч/кг
Высота
шероховатости,
мкм
Глубина
дефектного
слоя, мм
Жесткий
100
200–400
50–100
160–50
0,2–0,5
Средний
10–100
50–150
40–60
5–3,2
0,02–0,06
Мягкий
1–10
1–20
60–140
2,5–1,6
0,003–0,02
Особо мягкий
0,01–1
0,01–0,1
-
1,25–0,4
0,002
Режим
обработки
Электроды-инструменты для ЭИО изготавливают из графита, меднографитовых композиций, меди марок М1 и М2, латуней. Проволочные электроды (для разрезания листового материала и получения отверстий малого диаметра) выполняют из вольфрама или молибдена.
Электроискровым методом целесообразно обрабатывать твердые сплавы,
труднообрабатываемые материалы (токопроводящие), тантал, молибден и другие.
Этим методом получают сквозные и глухие отверстия любой формы отверстия с криволинейными осями; вырезают заготовки из листа при использовании проволочного или ленточного инструмента; изготовляют сетки и сита;
клеймят детали; выполняют плоское и круглое шлифование и т.п.
Примеры:
 Изготовление сеток и сит наборным электродом. 100 отверстий диаметром 0,5 мм в листе из нержавеющей стали изготавливаются за 30 секунд.
 Изготовление фильеры для волочения проволоки. Отверстие диаметром 0,07 мм в пластине из твердого сплава получают за 3 - 4 мин.
Остальные разновидности электроэрозионной обработки рассмотрим
лишь в особенностях.
315
Электроимпульсная обработка. В отличие от электроискровой обработки, где используются импульсы средней длительностью (20–200 мкс) здесь
применяют импульсы длительностью 500–10000 мкс большой мощности от
электромашинных или электронных генераторов. Установлено, что при импульсах большой длительности интенсивнее разрушается катод, поэтому обработку ведут при обратной полярности (то есть "минус" на заготовке). Высокие
мощности, реализуемые в импульсах, позволяют резко повысить производительность (до 6000 мм3/ч, что в 10–15 раз больше, чем при электроискровой обработке).
Метод рекомендуется применять при обработке крупногабаритных деталей сложной формы из специальных сталей, твердых и жаропрочных сплавов.
Примеры: изготовление пресс-форм для обтекателей диаметром до 1400 мм;
штампов высотой до 200 мм; грубая предварительная обработка твердосплавных инструментов, фильер под электрохимическую обработку; извлечение
сломанного инструмента, прошивание отверстий в крупногабаритных деталях;
изготовление клейм, резьбовых отверстий и т.п.
Инструмент - анод делают из углеграфитных композиций, реже из меди
марок М1 и М2. Обработку ведут в соляровом или трансформаторном масле.
Высокочастотная электроэрозионная обработка. В этом случае, напротив, используются импульсы малой мощности и малой длительности (высокой
частоты 100 кГц и выше). Импульсы формируются специальным прерывателем,
вакуумной лампой или тиратроном.
Основное назначение - высокоточная обработка с исключительно низкой
шероховатостью поверхности.
Другие особенности: малые структурные изменения поверхности, высокая стойкость инструмента.
Инструмент делают из меди, латуни ЛС59-1, бронзы БрАЖМц 9-4-4, серого чугуна СЧ 25; в качестве рабочей жидкости применяют керосин, трансформаторное масло, растворы кислот, солей, щелочей, водопроводную воду.
Наиболее широкое применение метод нашел при обработке инструмента
и штампов из твердых сплавов вследствие отсутствия структурных изменений и
микротрещин в поверхностном слое.
11.2 Электрохимические методы обработки материалов
Электрохимические методы обработки основаны на законах анодного
растворения металла при электролизе. При пропускании постоянного электрического тока через электролит на поверхности заготовки, включенной в электрическую цепь в качестве анода ("плюс" от источника тока), происходят химические реакции и поверхностный слой металла превращается в химическое
соединение. Чтобы процесс продолжался, необходимо удалять (эвакуировать)
продукты электролиза, иначе они будут образовывать пассивированную пленку
на поверхности заготовки, имеющую очень высокое электрическое сопротивление, ток идти не будет и процесс обработки прекратится.
316
По способу эвакуации продуктов электролиза различают две основные
разновидности ЭХО: анодно-механическая (удаление продуктов распада и пассивированной пленки происходит механическим воздействием инструмента) и
электрохимическая (продукты растворения переходят в электролит и удаляются
струей раствора).
Анодно-механическая обработка (АМО) является сочетанием электротермических и электрохимических процессов и поэтому занимает промежуточное положение между электроконтактной и электрохимической обработкой.
В отличие от ЭКО здесь обработка происходит в жидкой токопроводящей
среде – электролите, которым чаще всего является водный раствор жидкого
натриевого стекла (силикат натрия Na2O·nSiO2).
В отличие от электрохимической обработки удаление продуктов распада
и образующейся при электролизе пассивированной силикатной пленки, имеющей весьма большее электросопротивление и высокую механическую прочность, происходит за счет механического воздействия электрода - инструмента.
Рассмотрим принципиальную схему АМО на примере резки заготовки
вращающимся диском (рисунок 11.3, а).
Рисунок 11.3 – Принципиальная схема АМО:
а – резка диском; б – обработка плоской поверхности
Токопроводящий электрод-инструмент 1 соединен с отрицательным полюсом источника тока (катод), совершает главное вращательное движение и
движение подачи. Электрод-изделие 2 соединен с положительным полюсом источника тока (анод). В зону обработки поливом из сопла 3 непрерывно подается
электролит, увлекаемый инструментом в межэлектродный промежуток. Отходы
удаляются из зоны обработки вращающимся инструментом.
В зависимости от электрических характеристик может иметь место два
принципиально разных процесса снятия припуска (в зависимости от соотношения электротермических и электрохимических эффектов).
На грубых (жестких) режимах вследствие относительно высокого
напряжения (25–30 В) и больших плотностей тока (10–20 А/см2) съем металла
происходит главным образом за счет электроэрозионных процессов (как при
электроконтактной обработке). Имеет место, во-первых, взрывоподобное рас317
плавление, испарение, выброс металла из зоны импульсного разряда, возникающего при пробое пленки под влиянием высокого напряжения, во-вторых,
оплавление вершин микровыступов, контактирующих с рабочей поверхностью
инструмента. Благодаря этому процесс имеет местный характер и не распространяется на всю поверхность обработки сразу, но идет, перекрываясь, по всей
поверхности обработки.
Локализация процесса и кратковременность действия импульсов, а также
влияние охлаждающего действия электролита позволяет получить обработанную при грубых режимах поверхность с меньшими структурными изменениями, нежели при ЭКО, при той же шероховатости (Rz = 80–25 мкм) и производительности 2000–5000 мм3/мин.
Грубые режимы применяются в основном на заготовительных операциях,
при отрезке, обдирке и т.п. В этом случае в качестве инструмента используют
стальную проволоку диаметром 2–4 мм, бесконечную стальную ленту толщиной 0,4–1,5 мм или диски из малоуглеродистой стали 10 и 20 диаметром 400–
1200 мм и толщиной 0,5–5 мм. На дисках толщиной менее 1 мм для повышения
жесткости выдавливают радиальные гофры, что приводит к некоторому увеличению ширины реза. Для обдирки, например, перед заточкой режущего инструмента или перед шлифованием применяют массивные чугунные или стальные диски диаметром 150–200 мм, реже диски из цветных металлов (меди,
алюминия), работающие торцем (рисунок 11.3, б) или периферией. Для улучшения циркуляции электролита в зоне обработки на рабочей поверхности диска
нарезают спиральные или прямые канавки шириной 2–3 мм.
На мягких режимах обработка происходит за счет непрерывного удаления
анодной пленки рабочей поверхностью инструмента и возникающего на очищенных от пленки поверхностях процесса электролитического растворения металла анода-детали. Поскольку удаление пассивной пленки и, следовательно,
анодное растворение происходит по вершинам микронеровностей, то поверхность сглаживается. Чистовая обработка происходит при низких напряжениях
(2–6 В) и невысоких плотностях тока (0,01–0,03 А/мм2 ); эрозионные процессы
отсутствуют и шероховатость поверхности достигает Rz = 0,65–0,1 мкм при
очень незначительном изменении структуры подповерхностного слоя. Производительность достигает всего 3–5 мм3/мин. В качестве инструментов применяют такие же диски, как и при черновой обработке; кроме того широко используют электронейтральный инструмент – абразивные круги, бруски из твердых пород дерева или резины, снабженный токопроводящими катодными пластинами.
Рассмотрим типовые схемы анодно-механической обработки.
Анодно-механическая резка и обдирка. Сущность этого вида обработки
была рассмотрена выше (см. рисунок 11.3). По сравнению с обработкой известными механическими способами производительность повышается в несколько
раз и одновременно улучшаются другие технико-экономические показатели:
снижается брак при разрезке хрупких материалов, уменьшаются потери материалов; используется более простой и дешевый инструмент; уменьшается зона
318
структурных изменений в окрестностях реза, что улучшает качество изделия и
позволяет уменьшить величину припуска. Наша промышленность выпускает
специальные анодно-механические станки для заготовительных операций.
Анодно-механическое обтачивание, шлифование, полирование. Эти виды
обработки позволяют производить фасонную обработку тел вращения (рисунок
11.4, а), чистовую обработку и доводку (рисунок 11.4, б). Создание необходимого парка оборудования происходит за счет модернизации обычных шлифовальных, токарных и сверлильных станков.
Рисунок 11.4 – Анодно-механическое обтачивание (а);
притирка, доводка (б)
Технологические характеристики анодно-механической чистовой обработки представлены в таблице 11.2.
Таблица 11.2 – Технологические характеристики анодно-механической чистовой обработки
Притирка,
Чистовое шлифоОтделочное
Показатели
доводка в
вание в растворе
шлифование в
процесса
растворе солей
жидкого стекла
растворе солей
Напряжение в
электродах, В
Плотность тока,
А/см2
Окружная
скорость, м/с
Удельное
давление, кг/см2
Высота неровностей, мкм
Износ
инструмента, %
14 - 16
4-5
10 - 20
3-7
0,5 - 1,2
0,5 - 1,2
20 - 30
0,5 - 1,0
30
0,5 - 1,5
0,5 - 5,0
1,0 - 1,5
2,5 - 0,4
0,4 - 0,1
1,25 - 0,2
1-2
1 - 1,5
0-2
319
Электрохонингование. Это один из наиболее распространенных процессов на артиллерийских и оружейных заводах для обработки каналов стволов,
цилиндров ПОУ и других внутренних поверхностей (в частности цилиндров
ДВС). Электрохонингование может производиться на обычных хонинговальных или сверлильных станках, оснащенных зажимным приспособлением для
детали, погруженной в резервуар, наполненный электролитом. Кроме того станок оборудуется электроприводом и источником постоянного или переменного
тока.
В случае работы на переменном токе (хотя при этом производительность
уменьшается) в качестве источника питания можно использовать сварочный
трансформатор типа СТЭ.
Типовая схема электрохонингования (ЭХ) показана на рисунке 11.5.
Рисунок 11.5 – Схема электрохонингования
Деталь 1, являющаяся анодом, крепится в приспособлении 2, установленном в баке из нержавеющей стали 3, который изолируется от станины станка
текстолитовой прокладкой 4. Приспособление установлено на вращающийся
стол станка 5 или вращается специальным механизмом. Катодом является
штанга 6 хонинговальной головки, токоподвод к которой осуществляется через
контактные кольца 7 на шпинделе. Для избежания случайных замыканий на
торце хонинговальной головки укреплен изоляционный колпачок 8. Замыкание
между корпусом головки 9 и деталью предотвращается за счет заданного радиального зазора, который должен быть не менее 1 мм.
Во время обработки головка совершает вращательное (n = 250 об/мин) и
возвратно-поступательное (50–70 дв.ход./мин) движение. Давление брусков (из
липы, ольхи или пластмассы), снимающих анодную пленку регулируется в
пределах 1–3 кг/см2. Первая стадия обработки происходит в электролите из растворенного в отношении 100 г/л NaNO3, в который добавляется абразивный порошок М28 в количестве 100 г/л. Деталь вращается со скоростью 16 об/мин;
напряжение 6–12 В, плотность тока 0,1–0,5 А/см2. Шероховатость обработки
достигает 1,25–0,8 мкм при съеме металла на сторону 0,03–0,04 мм.
320
Для окончательной обработки (вторая стадия) применяют тот же электролит с добавлением в качестве абразива окиси хрома Cr2O3. Режимы те же.
После 20-минутного окончательного хонингования ток выключают и обрабатывают без действия тока в течение 3–5 минут для полного снятия анодной
пленки.
Съем металла на сторону при окончательной обработке 0,005–0,008 мм
при шероховатости Rz = 0,16–0,1 мкм (поверхность имеет зеркальный блеск).
Достоинства ЭХ по сравнению с обычным хонингованием:
а) выше чистота поверхности (при обычной доводке Rz = 1,25–0,4 мкм);
б) ЭХ может быть применено к деталям из металлов с любыми механическими свойствами (механическое хонингование неэффективно при обработке
вязких материалов);
в) производительность при ЭХ повышается в 4–5 раз в сравнении с механическим хонингованием.
Электроабразивная и электроалмазная обработка отличается от описанных выше тем, что инструментом-электродом является шлифовальный круг,
выполненный из абразива (в том числе алмаза) на электропроводной основе.
Такой основой может быть бакелитовая связка с графитовым наполнителем.
Применяется также пропитка абразивных кругов свинцом.
Типовая схема электроабразивной обработки представлена на рисунке
11.6.
Инструментом служит токопроводящий круг формы ЧЦ или ПВ с частицами абразива 2 из электрокорунда (размер зерна 60 – 80 мкм). Как видно из
схемы, частицы абразива являются изолирующей прокладкой между анодомдеталью 1 и катодом-инструментом 3.
Оптимальным условием процесса является поддержание зазора, при котором плотность тока будет наибольшая, а условия возникновения короткого
замыкания еще не наступают. Этот зазор обеспечивается выступающими из
связки абразивными частицами.
Рисунок 11.6 - Схема электроабразивной обработки:
1 – заготовка; 2 - абразивные зерна; 3 - связка шлифовального круга
321
Высокая интенсивность анодного растворения обеспечивается высокой
плотностью тока, которая определяется размером межэлектродного промежутка (0,025 - 0,03 мм). Производительность при предварительной обработке достигает 20 - 30 мм3/мин, при этом 85 - 90% металла снимается за счет анодного
растворения и 15 - 10% за счет механического действия абразива. Окружная
скорость круга выбирается в пределах 8 - 20 м/с. Электрические режимы зависят от вида обработки. При предварительной обработке: напряжение 20 - 25 В и
сила тока 20 - 30 А; при окончательной - снижаются до 10 - 15 В и 12 - 15 А.
Шероховатость достигает 0,63 - 0,4 мкм. Припуски на электроабразивную обработку выбирают в пределах 0,05 - 0,5 мм.
Электроалмазная обработка производится по той же схеме, но с применением электропроводных кругов с тонким слоем (до 3 мм) алмазной крошки
зернистостью А8 - А10. Благодаря более мелкому зерну плотность тока выше
(60 - 100 А/см2), что резко повышает производительность. Напряжение низкое
(5 - 15 В), что исключает возникновение эрозионных процессов. Износ алмазных кругов значительно ниже, стойкость круга достигает 10000 - 12000 ч. Шероховатость поверхности достигает 0,32 - 0,2 мкм.
Электрохимическая обработка (ЭХО) основана на законах анодного
растворения при электролизе, т.е. этот процесс можно рассматривать как обратный гальваническому осаждению при нанесении гальванопокрытий.
Можно выделить две разновидности ЭХО:
 электрохимическое полирование (условно говоря "безразмерная обработка", когда ставится цель только сгладить микронеровности поверхности);
 электрохимическая размерная обработка (получение деталей с заданными формой и размерами).
Электрохимическое полирование. Обработку выполняют в ванне, заполненной электролитом (рисунок 11.7). В зависимости от обрабатываемого материала электролитом служат растворы солей, кислот или щелочей. Обрабатываемую заготовку подключают к аноду, электродом-катодом служит пластина из
меди, свинца, стали. Для большей интенсивности процесса электролит подогревают до температуры 40 - 800 С.
При подаче напряжения на электроды начинается процесс растворения
анода. Растворение происходит главным образом на выступах микронеровностей вследствие более высокой плотности тока на их вершинах. Кроме того,
впадины между выступами заполняются продуктами растворения - оксидами и
солями, имеющими пониженную проводимость. В результате избирательного
растворения микронеровности сглаживаются и обрабатываемая поверхность
приобретает зеркальный блеск.
322
Рисунок 11.7 - Схема электрохимического полирования:
1 - ванна, 2 - обрабатываемая заготовка; 3 - пластина-электрод;
4 - электролит; 5 - микровыступ; 6 - продукты анодного растворения
Существенной особенностью электрополированных поверхностей является то, что они не имеют деформированного и разрушенного слоя, наклепа и
термических изменений. Существенно уменьшается величина коэффициента
трения (в 2–2,5 раза) за счет изменения микрорельефа поверхности, что связано
с уменьшением высоты микронеровностей с соответственным увеличением
контактной площади.
При нанесении покрытий из других металлов предварительное электрополирование повышает прочность сцепления покрытия с подложкой; повышает
стойкость режущего инструмента и уменьшает его износ; позволяет обрабатывать тончайшие пленки и фольгу (до 1,5–2 мкм).
Таким образом, электрополирование целесообразно применять в тех случаях, когда наряду со снижением шероховатости необходимо убрать дефекты
предшествующей обработки (наклеп, прижоги, микротрещины и т.п.), очистить
и декоративно отделать детали, снять заусенцы.
Скорость растворения анода, определяемая толщиной слоя, перешедшего
в раствор за единицу времени, неодинакова для различных металлов. Количество металла, растворяемое в результате этого процесса, подчиняется закону
Фарадея
Qтеор 
А  I 
nF ,
где I – сила тока, А, τ – время, с, F – 96494 – число Фарадея, А – молекулярный
вес.
Практически количество растворенного металла меньше расчетного и заQпр


висит от характеристики
, называемой выходом по току.
Qтеор
Зная характеристику η (обычно 0,85 - 0,90) можно рассчитать силу тока,
необходимую для снятия толщины слоя δ, мм при известной продолжительности процесса:
323
I
  S  d  1000
,А
c    
(11.1)
где с - электрохимический эквивалент, г/А; d - плотность металла, г/см3; S площадь обрабатываемой поверхности, дм2.
Уравнение (11.1) можно решить и относительно продолжительности процесса при заданной силе тока.
Электрохимическая размерная обработка основана на принципе локального анодного растворения при больших (до сотен А/см2) плотностях тока. Образовавшиеся при электролизе продукты анодного растворения удаляются с обрабатываемой поверхности и эвакуируются из рабочей зоны потоком электролита, прокачиваемого с высокой скоростью (до 50 м/с) через малый (0,02 - 0,5
мм) межэлектродный зазор. В качестве электролитов используют водные растворы неорганических солей (NaCl, NaNO3 и др.), реже кислот и щелочей.
Участки, не нуждающиеся в обработке, изолируются, а катоду-инструменту
придается форма, зеркально отображающая получаемую поверхность (рисунок
11.8). Таким образом, формообразование поверхности происходит по методу
копирования, причем износ инструмента полностью отсутствует, так как таковым является струя электролита.
Рисунок 11.8 - Схемы электрохимической размерной обработки:
1 - инструмент-катод; 2 - заготовка-анод, 3 - изолятор
Сущность процессов, протекающих при ЭХО рассмотрим на примере реакции растворения анода, состоящего из сплава на основе железа в электролите
NaCl + H2O.
Хлористый натрий в водном растворе диссоциирует на катионы натрия и
анионы хлора
NaCl → Na+ + Cl-.
Диссоциирует и вода
H2O → H+ + OH-.
Анионы Cl- перемещаются к аноду и взаимодействуют с железом, отдавая
электроны
Fe - 2e → Fe2+.
На катоде катионы натрия реагируют с водой
2Н+ + 2е → 2Н → Н2↑,
324
при этом выделяется свободный водород (что требует наличия вытяжки при ведении процесса в открытых ваннах).
Источник тока отсасывает избыточные электроны с анода и переносит их
на катод.
Образовавшееся на аноде хлористое железо гидролизуется
Fe2+ + 2OH- = Fe(OH)2.
Получившийся гидрат закиси железа под действием растворенного в
электролите кислорода переходит в гидрат окиси железа
4Fe(OH)2 + 2H2O + O2 = 4Fe(OH)3,
который выпадает в осадок.
При неподвижном электролите эти продукты растворения скапливаются
на поверхности детали и процесс постепенно прекращается. Для осуществления
производительного и непрерывного процесса обработки необходимо не только
поддерживать требуемую концентрацию и чистоту электролита, но и удалять
нерастворимые продукты растворения. Это обеспечивается оптимальной скоростью циркуляции электролита Vэ в межэлектродном промежутке.
Скорость съема металла определяется зависимостью
U 
S  cv
 10  2 , мм/мин,
(11.2)
h0
где cv - объемный электрохимический эквивалент (таблица 11.3), U - напряжение на электродах, В; γ - электропроводность промежутка, 1/Ом·дм; h0 - межэлектродный промежуток, мм.
Таблица 11.3 - Значения электрохимических эквивалентов
Электрохимический эквивалент, мм/А·мин
Металл
25% NaCl
30% NaNO3
15% Na2SO4
Fe
1,9
0,125
0,191
Al
2,32
2,42
0,192
Ni
2,0
0,228
0,175
Cu
3,23
2,18
2,02
Zn
2,88
3,44
2,23
Sn
4,96
6,05
4,41
Pb
1,242
3,17
0,088
Примечание. Электрохимические эквиваленты для сплавов определяются
по формуле:
k
cv  100 /  i ,
cvi
где c΄vi - электрохимический эквивалент элемента, входящего в сплав; ki - весовое процентное содержание компонента в сплаве.
Из формулы (11.2) видно, что производительность возрастает с увеличением скорости прокачки электролита и уменьшением величины промежутка h0.
Существует оптимальная скорость прокачки, при увеличении которой съем ме325
талла дальше не будет возрастать. Вести обработку при малых значениях h0
трудно, так как возникает возможность короткого замыкания; увеличение h0
требует повышения напряжения источников питания, а следовательно, их мощности.
Основными элементами установки для ЭХО являются: понижающий
трансформатор, выпрямитель, контрольные приборы и сигнальная лампа, индуцирующая момент короткого замыкания электродов. Кроме того, в состав
установки входят система автоматического регулирования межэлектродного
зазора и других характеристик протекания процесса, а также гидроагрегат
(насосы для электролита и охлаждающей жидкости, система регенерации электролита - фильтры, отстойники, центрифуги и пр.).
Применяемые источники тока (машинные генераторы, выпрямители и
т.д.) должны иметь напряжение 6 - 20 В и обеспечивать плотность тока 60 - 200
А/см2.
Инструмент для размерной ЭХО изготовляют из сплавов свинца с сурьмой, меди, латуни, олова, чугуна, нержавеющей стали, графита, меднографитовых композиций и т.д.
Изоляцию катода в тех местах, где не должна проходить обработка, осуществляют резиной, эбонитом, капроном, винипластом, эпоксидными смолами,
керамическими эмалями, оргстеклами, фторопластовыми эмульсиями и другими электроизоляционными материалами.
Таблица 11.4 – Режимы ЭХО типовых изделий
Материал
Электролит
Изделие
изделия
(остальное вода)
Турбинная
Жаропрочный
10% NaCl
лопатка
титановый
5% KBr
сплав
12Х18Н9Т
10% NaCl
Ковочные
5ХНГ, 5ХНВ,
15–20% NaCl
штампы и
5ХНМ
пресс-формы
ТвердосплавВК8
5–6% NaNO3
ный инструТ15К6
1–2% NaNO2
мент
Т30К4
0,5% NaCO3
Напряжение, Плотность
В
тока, А/см2
10
10
10–12
10–14
1–3
15–20
6–7
60–70
Приведем в качестве примера (см. рисунок 11.8 и таблицу 11.4) типовые
схемы ЭХО конкретных изделий с указанием режимов обработки.
1. Обработка пера турбинной лопатки из жаропрочных сплавов на основе
никеля или титана, а также из нержавеющей стали (рисунок 11.8, а).
2. Изготовление ковочных штампов и пресс-форм из инструментальных
(штамповых) сталей (рисунок 11.8, б).
3. Изготовление всевозможного инструмента из твердых сплавов, спеченных из карбидов вольфрама и титана (фильеры для волочения проволоки, мет326
чики, зенкеры, развертки, фасонные резцы, фрезы и т.п.). На рисунке 11.8, в показана схема прошивания отверстия.
11.3 Лучевые методы обработки
Основой лучевых методов обработки является удаление материала с поверхности заготовки за счет нагрева и испарения материала с узколокального
участка сфокусированным лучом высокой плотности энергии (электронным
или лучом лазера).
Для этих методов характерна практическая независимость обрабатываемости от физико-химических свойств, поэтому как металлы и их сплавы, так и
неметаллические материалы (керамика, ферриты, твердые сплавы, корунд, рубин, алмаз и т.д.) обрабатываются одинаково успешно.
Возможность точного дозирования энергии луча позволяет осуществлять
широкий круг технологических процессов: местную термообработку, зонную
очистку, нанесение покрытий, сварку, механическую обработку. В ряде случаев
(например, для отверстий диаметром от 1 до 10 мкм) лучевая обработка является единственно возможной. При этом, поскольку инструментом служит сфокусированный луч, вопрос об износе инструмента и связанных с этим погрешностях обработки полностью снимается.
Основными методами лучевой обработки являются электронно-лучевая и
светолучевая (лазерная).
Электронно-лучевая обработка (ЭЛО) основана на расплавлении и испарении при резком торможении потока электронов в месте встречи его с обрабатываемой поверхностью. Для получения мощного потока электронов электронный пучок, эмитируемый вольфрамовым катодом в электронной пушке
(рисунок 11.9), ускоряется напряжением, приложенным между катодом и анодом, юстируется и фокусируется при помощи магнитных линз. Стигматор придает лучу круглую форму, а перемещение луча по поверхности изделия осуществляется отклоняющей системой. Изделие, закрепленное на координатном
столике, также может перемещаться относительно луча. Все устройство находится в вакуумной камере.
Локальная обработка непрерывным потоком электронов невозможна, поскольку приводит к перегреву области обработки и возникновению широкой
зоны оплавления. Требуемое распределение температур достигается чередованием мощных импульсов с паузами, во время которых происходит отвод тепла.
В зоне обработки температура достигает 60000С, а на расстоянии 1 мкм от
кромки луча не превышает 3000С. Продолжительность импульсов и интервалы
между ними подбирают так, чтобы за один цикл материал успел нагреться и
испариться только под лучом. Длительность импульсов составляет 10-4–10-6 с, а
частота 50–6000 Гц. Диаметр сфокусированного луча - несколько микрометров.
327
Рисунок 11.9 - Схема электронно-лучевой
установки:
1 - источник напряжения; 2 - магнитная юстировка; 3 - диафрагма; 4 - стигматор; 5 магнитная линза; 6 - отклоняющая система;
7 изделие; 8 - вакуумная камера; 9 - катод;
10 - анод
Электронно-лучевой метод наиболее эффективен при обработке отверстий диаметром от 10 мкм до 1 мм, прорезании пазов, резке заготовок, изготовлении тонких пленок и сеток из фольги. Обрабатывают заготовки из труднообрабатываемых металлов и сплавов, а также из неметаллических материалов:
рубина, керамики, кварца, полупроводников и т.п.
Достоинства метода:
1. Возможность регулирования энергетических характеристик луча в широких пределах.
2. Легкость управления лучом при помощи отклоняющей системы.
3. Вакуумная среда позволяет обрабатывать активные легкоокисляющиеся материалы.
Главный недостаток – обработка возможна только в вакууме.
Светолучевая (лазерная) обработка основана на тепловом воздействии
светового луча высокой энергии на поверхность обрабатываемой заготовки.
Источником излучения служит лазер - оптический квантовый генератор (ОКГ).
Лазерный луч - это направленный поток электромагнитных волн только
одной длины, то есть монохроматического света (видимого или невидимого),
который с помощью оптических элементов (линз, зеркал, призм и т.д.) можно
сделать остросфокусированным и направить в любое труднодоступное место.
Если луч лазера сфокусировать до очень малых размеров - сотых долей миллиметра, то плотность энергии достигнет миллионов ватт на квадратный сантиметр, а температура в месте его действия - десятки тысяч градусов. Этого достаточно не только для расплавления, но и испарения любых материалов.
Из всех известных типов ОКГ (твердотельных, газовых, полупроводниковых) в технологии нашли наибольшее применение твердотельные лазеры на
кристалле рубина (окиси алюминия, активированной 0,05% хрома), дающие
328
выходную энергию излучения до 20–40 Дж или на стеклянных стержнях, активированных неодием (энергия до 100–120 Дж).
Схема ОКГ, рабочим элементом которого является рубиновый стержень,
показана на рисунке 11.10.
Работа лазера основана на принципе стимулированного генерирования
светового излучения. Атом активного вещества, имея определенный запас
энергии, находится в устойчивом энергетическом состоянии и располагается на
определенном энергетическом уровне. Для выведения атома из устойчивого
энергетиче-
Рисунок 11.10 – Схема оптического квантового генератора:
1 – источник тока; 2 – батарея конденсаторов; 3 – корпус; 4 – импульсная лампа; 5 – рубин; 6 – линзы; 7 – заготовка
ского состояния его необходимо возбудить. Возбуждение ("накачку") активного
вещества осуществляют импульсной лампой. Возбужденный атом, получив дополнительный фотон от системы накачки, излучает сразу два фотона, в результате чего происходит своеобразная цепная реакция (генерация лазерного излучения).
Мощность упорядоченного излучения увеличивается путем многократного внутреннего отражения от зеркальных поверхностей рубинового стержня
(полупрозрачного и непрозрачного диэлектрических покрытий, нанесенных на
торцах кристалла).
Все элементы ОКГ помещены в корпусе, внутренняя поверхность которого является рефлектором, собирающим свет лампы на рубине. Для получения
необходимой плотности энергии излучения луч фокусируется через систему
линз в зоне обработки, наблюдение за которой осуществляется через микроскоп
(на рисунке 11.10 не показан).
Питание импульсной лампы осуществляется от батареи конденсаторов,
заряжаемой высоковольтной выпрямительной схемой. Интервалы между
вспышками составляют 15–30 с. Длительность импульса равна 1–5 мс. Наведение на месте обработки и фокусировка осуществляются при помощи луча света
от осветителя (на рисунке не показан), проходящего через кристалл рубина и
оптическую систему, имитирующую излучения ОКГ.
329
После наведения и фокусировки луча производится "поджиг", в результате которого электрическая энергия, запасенная в батарее конденсаторов, преобразуется в световую энергию импульсной лампы, переводящей атомы хрома в
возбужденное состояние, из которого они возвращаются в нормальное, излучая
фотоны с длиной волны 0,6943 мкм (красная флюоресценция рубина).
Взаимодействие фотонов с возбужденными атомами дает лавинообразные
потоки фотонов в самых различных направлениях, однако наличие зеркалрезонаторов приводит к тому, что при многократном отражении происходит
усиление свободных колебаний только в направлении оси стержня рубина. Вся
запасенная энергия в стержне одновременно высвобождается, и кристалл испускает ослепительно яркий красный свет. Расходимость луча обычно не превышает 0,10.
Энергия светового импульса ОКГ обычно невелика (до 100 - 120 Дж), но
она выделяется в миллионные доли секунды и сосредоточена в луче диаметром
около 0,01 мм. В фокусе диаметр светового луча составляет всего несколько
микрометров, что обеспечивает температуру 6000 - 80000 С. Этого достаточно
для плавления и испарения всех известных материалов.
Достоинства метода:
1. Для обработки не требуется создания вакуума, что значительно усложняет процесс.
2. Нет рентгеновского излучения, сопутствующего обработке электронным лучом.
3. Лазерные установки конструктивно проще электронных пушек.
Главный недостаток – трудность управления движением луча по обрабатываемой поверхности, поэтому при обработке перемещается сама заготовка.
Лазерную обработку применяют при прошивании сквозных и глухих отверстий в любых материалах независимо от их природы и механических характеристик, разрезке заготовок на части, вырезке заготовок, прорезании пазов.
Например, обработка рубиновых камней для часовой промышленности; отверстий любой формы для фильеров (волок) из алмаза, корунда, твердого сплава
диаметром от 0,003 до 1 мм; диафрагм для электронно-лучевой обработки; деталей топливной аппаратуры дизелей; сит; вольфрамовой, танталовой, молибденовой или медной фольги; контурная обработка по аналогии с фрезерованием
и т.п.
Перемещениями заготовки относительно луча управляют системы ЧПУ,
что позволяет обрабатывать по контуру детали самой сложной геометрической
формы с высокой точностью и качеством [129].
11.4 Ультразвуковая обработка
Ультразвуковая обработка (УЗО) материалов – разновидность механической обработки – основана на разрушении обрабатываемого материала абразивными зернами под ударами инструмента, колеблющегося с ультразвуковой
частотой. Источником энергии служат ультразвуковые генераторы тока с ча330
стотой 16 – 30 кГц. Инструмент получает колебания от ультразвукового преобразователя с сердечником из магнитострикционного материала. Эффектом магнитострикции обладают никель, железоникелевые сплавы (пермендюр), железоалюминиевые сплавы (альсифер), ферриты.
В сердечнике из магнитострикционного материала при наличии электромагнитного поля домены разворачиваются в направлении магнитных силовых
линий, что вызывает изменение размера поперечного сечения сердечника и его
длину. В переменном магнитном поле частота изменения длины сердечника
равна частоте колебаний тока. При совпадении частоты колебаний тока с собственной частотой колебаний сердечника наступает резонанс и амплитуда колебаний торца сердечника достигает 2–10 мкм. Для увеличения амплитуды колебаний на сердечнике закрепляют резонансный волновод переменного поперечного сечения, что увеличивает амплитуду колебаний до 10–60 мкм. На волноводе закрепляют рабочий инструмент – пуансон. Под пуансономинструментом устанавливают заготовку и в зону обработки поливом или под
давлением подают абразивную суспензию, состоящую из воды и абразивного
материала. Из абразивных материалов используют карбиды бора или кремния и
электрокорунд. Наибольшую производительность получают при использовании
карбидов бора. Инструмент прижимают к заготовке силой 1–60 Н.
Процесс обработки заключается в том, что инструмент, колеблющийся с
ультразвуковой частотой, ударяет по зернам абразива, лежащим на обрабатываемой поверхности, которые скалывают частицы материала заготовки (рисунок
11.11).
Рисунок 11.11 – Схема ультразвуковой обработки
Заготовку 3 помещают в ванну 1 под инструментом-пуансоном 4. Инструмент установлен на волноводе 5, который закреплен в магнитострикционном сердечнике 7, смонтированном в кожухе 6, сквозь который прокачивают
воду для охлаждения сердечника. Для возбуждения колебаний сердечника маг331
нитострикционного преобразователя служит генератор 8 ультразвуковой частоты и источник постоянного тока 9. Абразивную суспензию 2 подают под давлением по патрубку 10 насосом 11, забирающим суспензию из резервуара 12.
Прокачивание суспензии насосом исключает оседание абразивного порошка на
дне ванны и обеспечивает подачу абразивного материала в зону обработки. Кавитационные явления в жидкости способствуют интенсивному перемешиванию
абразивных зерен под инструментом, замене изношенных зерен новыми, а также разрушению обрабатываемого материала.
Ультразвуковым методом обрабатывают хрупкие твердые материалы:
стекло, керамику, ферриты, кремний, кварц, драгоценные минералы, в том числе алмазы, твердые сплавы, титановые сплавы, вольфрам.
Точность размеров и шероховатость поверхностей, обработанных ультразвуковым методом зависят от зернистости используемых абразивных материалов и
соответствуют точности и шероховатости поверхностей, обработанных шлифованием [4, 6, 130].
Широко применяются также технологии газотермического напыления:
плазменное, газоплазменное, детонационное и электродуговое. Используются в
промышленности лазерные упрочняющие технологии: лазерная закалка сталей,
чугунов, сплавов различных металлов, лазерное легирование поверхностного
слоя материалов, газотермическое напыление с последующим оплавлением покрытия лазерным лучом и др. [131].
Рассмотренные технологии получения и обработки конструкционных и
эксплуатационных материалов триботехнического назначения постоянно совершенствуются, развиваются и внедряются в учебный процесс [132-179].
332
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Современное оборудование для разливки и внепечной обработки стали:
инновации и импортозамещение. Золотухин В.И., Гордеев Е.И., Провоторов
Д.А., Головко А.Г., Жилин Д.И. // Металлургические процессы и оборудование.
Донецк. Изд-во Технопарк ДонГТУ «Унитех», № 3, 2012. с. 40-45.
2. Современные сталеразливочные системы для литейных и машиностроительных производств / Золотухин В.И., Гордеев Е.И., Провоторов Д.А., Головко А.Г., Медведев Р.Б., Ильичев И.А., Звягин К.В. // Литейщик России. № 9.
2011. С. 45-49.
3. Сталеразливочные системы для металлургических и литейных производств / Золотухин В.И., Гордеев Е.И., Провоторов Д.А., Головко А.Г. // Новые
огнеупоры. № 2. 2013. С. 14-16.
4. Материаловедение / Ф.К. Малыгин, Н.Е. Стариков, В.М. Павлов,
А.Е.Гвоздев, И.В.Тихонова // Тула: ТАИИ. 2008.- 320 с.
5. Наноматериалы: учебное пособие / Д.И. Рыжонков, В.В. Левина, Э.Л.
Дзидзигури.-М.: БИНОМ. 2008.-365 с.-ил. – (Нанотехнология).
6. Технологи конструкционных материалов / Ф.К. Малыгин, Н.Е. Стариков, В.М. Павлов, А.Е. Гвоздев // Тула: ТАИИ. 2008.- 204 с.
7. Диффузии атомов и ионов в твердых телах / Б.С.Бокштейн,
А.Б.Ярославцев // М.: МИСИС. 2005. -362с. ISBN 5-87623-130-4.
8. Жидкие смазочные композиционные материалы, содержащие высокодисперсные наполнители для подшипниковых узлов управляемых систем: монография / А.Д. Бреки, В.С. Савельева, Ю.В. Толочко, Н.Н. Сергеев, А.Е. Гвоздев, Н.Е. Стариков.-Тула: изд-во ТулГУ. 2014. – 144 с. ISBN 978-5-7679-2842-6.
9. Мишин И.А. Долговечность двигателей. Л. «Машиностроение» (Ленингр. отделение), 1976. – 288 с.
10. Трибология. Физические основы, механика и технические приложения: Учебник для вузов/И.И. Беркович, Д.Г. Громаковский; Под ред. Д.Г. Громаковского; Самар. гос. техн. ун-т. Самара, 2000. – 268 с.
11. Химическая энциклопедия / Редкол.:Кнунянц И.Л. и др.. — М.: Советская энциклопедия, 1988. — Т. 1. — 623 с.
12. Справочник химика / Редкол.: Никольский Б.П. и др.. — 2-е изд.,
испр. — М.-Л.: Химия, 1966. — Т. 1. — 1072 с.
13. Справочник химика / Редкол.: Никольский Б.П. и др.. — 3-е изд.,
испр. — Л.: Химия, 1971. — Т. 2. — 1168 с.
14. Рипан Р., Четяну И. Неорганическая химия. Химия металлов. — М.:
Мир, 1972. — Т. 2. — 871 с.
15. Бессонов М.И., Котон М. М., Кудрявцев В. В., Лайус Л. А. « Полиимиды – класс термостойких полимеров» Л. Наука,: 1983.
16. St. Clair A.K., St. Clair T.L. // SAMPE Quart. 1981. October. P. 20.
17. Bell V.L., Stump B.L., Gager H. // J. Polym. Sci., Polym. Chem. Ed. 1975.
V. 14. P. 2275.
18. Sroog C.E. // Prog. Polym. Sci. 1991. V. 16. P. 561.
333
19. В.М. Светличный, В.В. Кудрявцев. Полиимиды и проблема создания
современных конструкционных и композиционных материалов. ВМС серия А,
т.45, №6. 2003. – С.1 – 52.
20. Tolochko O.V., Vasilieva E.S., Kaidash E.A., Cheong D.-I., Kim E.-P.
Synthesis and applications of Tungsten-Based Ultrafine Particles // 17-th International Baltic Conference “Material Engineering 2008”. Lithuania, Kaunas:
Technologija. Pp.45-46
21. Vasilieva E.S., Vahhi I.E., Kovalev E., Ignatiev M., Kim D., Kim B.-K.
Production of WS2 Structures by CVC Method // 17-th International Baltic Conference “Material Engineering 2008”. Lithuania, Kaunas: Technologija. Pp. 54-55
22. Vasilieva E.S., Tolochko O.V., Kim B.-K., Lee D.-W. Synthesis of WS2
Structures by Chemical Vapor Condensation Method // Book of abstracts of 8th Conference of Solid State Chemistry, July 6-11, 2008, Bratislava, Slovak Republic, Book
of abstracts, p. 51
23. Hu L., Chen M. // Materials Chemistry and Physics. 1996. V.43. P.
212 – 219.
24. Губин С.П., Кокшаров Ю.А., Хомутов Г.Б., Юрков Г.Б. // Успехи химии. 2005. Т.74. №6. С. 539 – 574.
25. Nobory I., Yoshihary O., and Seiichiro K. Superfine Particle Technology.
L.: Springler-Verlag, 1988. P. 379.
26. Nasibulin A.G.,Ahonen P.P., Richard O. et al. // J. Nanoparticle Res. 2001.
Vol.3. Issue 5 - 6. P. 383 – 398.
27. Choi C.J., Tolochko O., Kim B.K. // Materials Letters. 2002. V.56. P.
289 – 294.
28. Ahonen P.P., Joutsensaari J., Richard O. et al. // J. Aerosol Sci. 2001. V.32
(5). P. 615 – 630.
29. Харрис П. Углеродные нанотрубы и родственные структуры. Новые
материалы ХХI века / Пер. с англ. М.: Техносфера, 2003. С. 336.
30. Fine Particles – Synthesis, Characterization and Mechanisms of Growth /
Ed. By T. Sugimoto. N.Y.: Marcel Dekker, 1996. 530 p.
31. Васильева Е.С., Игнатьев М.Б., Ковалев Е.П., Ли Д.В. Газофазный
синтез дисперсных частиц дисульфида вольфрама и их применение // Физика и
механика материалов. Вестник Новгородского Государственного Университета
№50. 2009. С. 7 – 10.
32. Динамика вибрационной щековой дробилки с двумя рабочими полостями: автореф. дис. канд. техн. наук: 01.02.06 / М. Н. Архипов; Курский государственный технический университет. - Курск, 1997. - 14 с.
33. Разработка метода расчета параметров щековых дробилок / Б. П. Сафонов, Э. Э. Добмайер, Л. В. Лукинеко, С. А. Потемкин. - // Вестник машиностроения. - 2001. - N 10. - С.12-16
34. Клебанов О. Б., Шубов Л. Я., Щеглова Н. К. Справочник технолога по
обогащению руд цветных металлов. М., «Недра», 1974. – 472 с.
35. Полиградиентные магнитные сепараторы. Под общ. ред. Н.Ф. Мясникова М., «Недра», 1973. 160 с.
334
36. Magnetic percolation phenomenon in high-field high-gradient separators
Vincent-Viry, O.; Mailfert, A.; Gillet, G.; Diot, F. Magnetics, IEEE Transactions on ,
Volume: 36 Issue: 6 , Nov 2000 Page(s): 3947 -3952
37. Magnetic separation of kaolin clay using an advanced 9 T separator Iannicelli, J.; Pechin, J. Applied Superconductivity, IEEE Transactions on , Volume: 10
Issue: 1, March 2000 Page(s): 917 -922
38. Novel magnetic separators Leupold, H.A.; Tilak, A.S. Magnetics Conference, 1999. Digest of INTERMAG 99. 1999 IEEE International, 1999 Page(s): ES06
-ES06
39. Годэн А.М. "Флотация" М.: ГНТИЛпГД, 1959. – 653 с.
40. Погодаев Л.И., Кузьмин В.Н. Структурно-энергетические модели
надёжности материалов и деталей машин. – СПб.: Академия транспорта Российской Федерации, 2006. – 608 с.
41. Погодаев Л.И., Кузьмин В.Н., Дудко П.П. Повышение надёжности
трибосопряжений. С-Пб.: Академия транспорта Российской Федерации, 2001. –
304 с.: ил.
42. Триботехника на железнодорожном транспорте: Труды второго международного симпозиума по транспортной триботехнике «Транстрибо 2002». – СПб.: Изд-во СПбГПУ, 2002. – 354 с.
43. Повышение износостойкости и долговечности машин и механизмов
на транспорте: Труды третьего международного симпозиума по транспортной
триботехнике «ТРАНСТРИБО - 2005». – СПб.: Изд-во СПбГПУ, 2005. – 312 с.
44. Маринич Т.Л. В природных зеркалах скольжения отражается наше
завтра, // «Инициатива», СПб.: НТО КИ. №1. 1994. С. 7 – 15.
45. Шаров Г.И., Ерохин И.А., Осипенко Ю.В. Применение системы энергосбережения в поршневых ДВС. // Повышение износостойкости и долговечности машин и механизмов на транспорте: Труды третьего международного симпозиума по транспортной триботехнике «ТРАНСТРИБО-2005». –
СПб Изд-во СПбГПУ, 2005. С. 212 – 215.
46. Оценка триботехнических характеристик композиционных покрытий
на основе полиимида ПМ-ДАДФЭ с наполнителем из наночастиц дисульфида
вольфрама в условиях остутствия деструкции полимера / А.Д. Бреки, Ю.А. Фадин, А.Л. Диденко, В.В. Кудрявцев, Е.С. Васильева, О.В. Толочко, А.Е. Гвоздев, Н.Е. Стариков // VI Международная конференция «Деформация и разрушение материалов и наноматериалов»: сборник материалов. 10-13 ноября 2015
г. Москва. – М.: ИМЕТ РАН, 2015. – С. 747-748.
47. Бреки А.Д., Соловьёва И.В. Технология изготовления жидких смазочных композиций, содержащих мелкодисперсные частицы серпентинита //
Тридцать восьмая неделя науки СПбГПУ: материалы международной научнопрактической конференции. Ч. 4. – СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2009. С. 47 –
48.
48. Бреки А.Д. Триботехнические свойства модифицированных смазочных масел. Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических
335
наук / Институт проблем машиноведения Российской академии наук. СанктПетербург, 2011. – 161с.
49. Бреки А.Д. Триботехнические свойства модифицированных смазочных масел. Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата
технических наук / Институт проблем машиноведения Российской академии
наук. Санкт-Петербург, 2011. – 19 с.
50. Бреки А.Д. Общие свойства и особенности взаимодействия дисперсных компонентов смазочного материала [Текст] / А.Д. Бреки, О.В. Толочко,
А.Е. Гвоздев, Н.Е. Стариков // Материалы 4-й международной научнопрактической конференции «Современное машиностроение. Наука и образование». – 19 – 20 июня 2014. – СПб.: Изд-во Политехн. ун-та, 2014. – С. 319 – 326.
51. Бреки А.Д. Влияние антифрикционных дисперсных материалов на относительную опорную длину профиля поверхностей трения деталей [Текст] /
А.Д. Бреки, О.В. Толочко, А.Е. Гвоздев, Н.Е. Стариков // Материалы 4-й международной научно-практической конференции «Современное машиностроение. Наука и образование». – 19 – 20 июня 2014. – СПб.: Изд-во Политехн. унта, 2014. – С. 327 – 334.
52. Бреки А.Д., Васильева Е.С., Толочко О.В., Сергеев Н.Н., Гвоздев А.Е.,
Стариков Н.Е. Жидкие смазочные композиционные материалы, содержащие
высокодисперсные наполнители, для подшипниковых узлов управляемых систем: монография. – Тула: Изд-во ТулГУ, 2014. – 144с.
53. Бреки А.Д., Васильева Е.С., Толочко О.В., Сергеев Н.Н., Гвоздев А.Е.,
Стариков Н.Е. Триботехнические свойства жидких смазочных композиционных
материалов, содержащих полученные методом газофазного синтеза высокодисперсные дисульфид и диселенид вольфрама: монография / под. ред. А.Д. Бреки
– Тула: Изд-во ТулГУ, 2014. – 152с.
54. Бреки А.Д., Кудрявцев В.В., Диденко А.Л., Васильева Е.С., Толочко
О.В., Сергеев Н.Н., Стариков Н.Е., Гвоздев А.Е. Триботехнические свойства
композиционных покрытий с полиимидными матрицами и наполнителями из
наночастиц дихалькогенидов вольфрама для узлов трения машин: монография /
под ред. А.Д. Бреки. Тула: Изд-во ТулГУ, 2015. – 128с.
55. Бреки А.Д., Васильева Е.С., Толочко О.В., Стариков Н.Е., Сергеев
Н.Н., Провоторов Д.А., Сергеев А.Н., Гвоздев А.Е. Триботехнические характеристики жидких смазочных и полиимидных композиционных материалов, содержащих антифрикционные наночастицы дихалькогенидов вольфрама: монография / под ред. А.Д. Бреки. Тула: Изд-во ТулГУ, 2015. – 276 с.
56. Бреки А.Д., Диденко А.Л., Кудрявцев В.В., Васильева Е.С., Толочко
О.В., Колмаков А.Г., Фадин Ю.А., Сергеев Н.Н., Гвоздев А.Е., Стариков Н.Е.,
Провоторов Д.А. Синтез и триботехнические свойства композиционных покрытий с матрицей из полиимида ПМ-ДАДФЭ и наполнителями из наночастиц дихалькогенидов вольфрама при сухом трении скольжения // Материаловедение.
2015. № 12. С. 36-40.
57. Бреки А.Д., Толочко О.В., Васильева Е.С., Гвоздев А.Е., Стариков
Н.Е. Взаимодействие дисперсных компонентов смазочного композиционного
336
материала, содержащего наночастицы дихалькогенидов вольфрама // Известия
Тульского государственного университета. Технические науки. 2015. Вып.5.
Ч2. С.136-144.
58. Бреки А.Д., Толочко О.В., Васильева Е.С., Гвоздев А.Е. Стариков
Н.Е., Провоторов Д.А. Взаимодействие дисперсных компонентов смазочного
композиционного материала, содержащего наночастицы дихалькогенидов
вольфрама // Известия Тульского государственного университета. Технические
науки. 2015. Вып.7. Ч1. С.197-205.
59. Бреки А.Д., Толочко О.В., Васильева Е.С., Гвоздев А.Е. Стариков
Н.Е., Провоторов Д.А., Калинин А.А. Выбор дисперсности наполнителя из частиц дихалькогенидов вольфрама для создания смазочного композиционного
материала // Известия Тульского государственного университета. Технические
науки. 2015.Вып.7. Ч1. С.235-243.
60. Бреки А.Д., Толочко О.В., Васильева Е.С., Гвоздев А.Е., Стариков
Н.Е., Провоторов Д.А. Оценка взаимодействия между наночастицами дихалькогенидов вольфрама в среде жидкого смазочного материала // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2015. Вып.7. Ч2. С.814.
61. Бреки А.Д., Фадин Ю.А., Диденко А.Л., Кудрявцев В.В., Толочко
О.В., Васильева Е.С., Гвоздев А.Е., Стариков Н.Е., Калинин А.А., Провоторов
Д.А. Триботехнические свойства композиционных покрытий на основе полигетероарилена «ДАИ» с наполнителями из наночастиц дихалькогенидов вольфрама // Известия Тульского государственного университета. Технические
науки. 2015. Вып.8. Ч2. С.148-155.
62. Бреки А.Д., Фадин Ю.А., Диденко А.Л., Кудрявцев В.В., Толочко
О.В., Васильева Е.С., Гвоздев А.Е., Стариков Н.Е., Провоторов Д.А. Триботехнические свойства композиционных покрытий на основе полигетероарилена
«Р-ОООД» с наполнителем из наночастиц диселенида вольфрама // Известия
Тульского государственного университета. Технические науки. 2015. Вып.8.
Ч2. С.181-188.
63. Медведева В.В., Скотникова М.А., Бреки А.Д., Крылов Н.А., Фадин
Ю.А., Сергеев А.Н., Провоторов Д.А., Гвоздев А.Е., Стариков Н.Е. Оценка влияния размера частиц и концентрации порошков горных пород на противоизносные свойства жидких смазочных композиций // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2015. Вып.11. Ч1. С.57-65.
64. Бреки А.Д., Медведева В.В., Фадин Ю.А., Толочко О.В., Васильева
Е.С., Сергеев А.Н., Провоторов Д.А., Гвоздев А.Е., Стариков Н.Е. Влияние смазочного композиционного материала с наночастицами дисульфида вольфрама
на трение в подшипниках качения // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2015. Вып.11. Ч1. С.78-86.
65. Бреки А.Д., Фадин Ю.А., Диденко А.Л., Кудрявцев В.В., Толочко
О.В., Васильева Е.С., Гвоздев А.Е., Стариков Н.Е., Провоторов Д.А. Тиботехнические свойства композиционных покрытий на основе полигетероарилена
«Р-ОДФО» с наполнителем из наночастиц диселенида вольфрама // Известия
337
Тульского государственного университета. Технические науки. 2015. Вып.11.
Ч1. С.133-139.
66. Бреки А.Д., Медведева В.В., Фадин Ю.А., Толочко О.В., Васильева
Е.С., Сергеев Н.Н., Провоторов Д.А., Гвоздев А.Е., Стариков Н.Е., Титова Ю.Е.
Влияние смазочного композиционного материала с наночастицами диселенида
вольфрама на трение в подшипниках качения // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2015. Вып.11. Ч1. С.171-180.
67. Бреки А.Д., Толочко О.В., Стариков Н.Е., Провоторов Д.А., Сергеев
Н.Н., Агеев Е.В., Гвоздев А.Е. Оценка влияния жидкого смазочного композиционного материала с наночастицами геомодификатора на трение в подшипниковом узле // Известия ЮЗГУ: Серия Техника и технологии. - №3(16), 2015. –
С.17-23.
68. Бреки А.Д., Толочко О.В., Стариков Н.Е., Провоторов Д.А., Сергеев
Н.Н., Агеев Е.В., Гвоздев А.Е. Составляющие технологического процесса создания смазочных композиционных материалов, содержащих высокодисперсные частицы слоистого модификатора трения // Известия ЮЗГУ. - №4(61),
2015. – С.19-25.
69. Бреки А.Д., Стариков Н.Е., Провоторов Д.А., Агеев Е.В., Гвоздев А.Е.
О диспергировании в маслах дисперсных наполнителей при приготовлении
смазочных композиционных материалов и в процессе функционирования узлов
трения // Известия ЮЗГУ. - №4(61), 2015. – С.51-54.
70. Бреки А.Д., Стариков Н.Е., Провоторов Д.А., Агеев Е.В., Гвоздев А.Е.
О качении шара и цилиндра по криволинейной поверхности с вязкой прослойкой из жидкого смазочного композиционного материала // Известия ЮЗГУ: Серия Техника и технологии. - №4(17), 2015. – С.8-12.
71. Бреки А.Д., Стариков Н.Е., Провоторов Д.А., Агеев Е.В., Гвоздев А.Е.
О расчёте седиментации высокодисперсного наполнителя при хранении жидкого смазочного композиционного материала // Известия ЮЗГУ. - №5(62), 2015. –
С.27-31.
72. Баландин П.А. Испытание трансмиссии тракторов в пылевой камере
[Текст] / П.А. Баландин, Э.И. Кармазин, А.Д. Левитанус // Тракторы и сельхозмашины. – 1965. - № 11. – С. 15 – 17.
73. Барабаш М.Л. Исследование износостойкости металлов в присутствии
органозолей железа [Текст]/М.Л.Барабаш.– Киев: И-т строй. мех., 1955. – 150 с.
74. Брейтуэйт Е.Р. Твёрдые смазочные материалы и антифрикционные
покрытия. Перевод с англ. [Текст] / Е.Р. Брейтуэйт. – М.: Химия, 1967. – 320 с.
75. Гаркунов Д.Н. Повышение износостойкости деталей машин [Текст] /
Д.Н. Гаркунов. – Киев: Машгиз, 1960. – 164 с.
76. Гаркунов Д.Н. Триботехника [Текст] / Д.Н. Гаркунов. – М.: Машиностроение, 1985. – 424 с.
77. Гаркунов Д.Н. Триботехника [Текст] / Д.Н. Гаркунов. – М.: Изд-во
МСХА, 2001. – 616 с.
78. Гольдберг Д.О. Смазочные масла из нефтей восточных месторождений [Текст] / Д.О. Гольдберг, С.Э. Крейн. – М.: Химия, 1972. – 232 с.
338
79. Захарченко В.Н. Коллоидная химия: 2-е изд., перераб. и доп. [Текст] /
В.Н. Захарченко. – М.: Высшая школа, 1989. – 238 с.
80. Иванов К.И. Промежуточные продукты и промежуточные реакции
автоокисления углеводородов [Текст] / К.И. Иванов. – М.: Гостоптехиздат,
1949. – 192 с.
81. Икрамов У.А. Расчётные методы оценки абразивного износа [Текст] /
У.А. Икрамов. – М.: Машиностроение, 1987. – 288 с.
82. Кламанн Д. Смазки и родственные продукты. Синтез. Свойства. Применение. Международные стандарты.: пер. с англ.; под ред. Ю.С. Заславского
[Текст] / Д. Кламанн. – М.: Химия, 1988. – 488 с.
83. Корогодский И.В. Влияние высокодисперсных частиц в масле на приработку пар трения [Текст] / И.В. Корогодский // Теория смазочного действия и
новые материалы. – М.: Наука, 1965. – С. 92 – 96.
84. Моторные и реактивные масла и жидкости [Текст] / под ред. К.К. Папок и Е.Г. Семенидо. – М.: Химия, 1964. – 699 с.
85. Натансон Э.М. Коллоидные металлы [Текст] / Э.М. Натансон. – Киев:
Академиздат АН УССР, 1959.
86. Папок К.К. Нагары в реактивных двигателях [Текст] / К.К. Папок,
В.А. Пискунов, П.Г. Юреня. – М.: Транспорт, 1971. – 112 с.
87. Сергиенко Р.С. Высокомолекулярные соединения нефти [Текст] / Р.С.
Сергиенко. – М.: Гостоптехиздат, 1959. – 411 с.
88. Сергиенко Р.С. Высокомолекулярные неуглеводородные соединения
нефти [Текст] / Р.С. Сергиенко, Б.А. Таимова, Е.И. Талалаев. – М.: Наука, 1979.
– 267 с.
89. Смазочные материалы; антифрикционные и противоизносные свойства; методы испытаний: справочник [Текст] / под ред. Р.М. Матвеевский, В.Л.
Лашхи, И.А. Буяновский и др. – М.: Машиностроение, 1989. – 224 с.: ил. – (Основы проектирования машин).
90. Тененбаум М.М. Сопротивление абразивному изнашиванию [Текст] /
М.М. Тененбаум. – М.: Машиностроение, 1976. – 271 с.
91. Теоретические основы химмотологии [Текст] / под ред. А.А. Браткова.
– М.: Химия, 1985. – 320 с.
92. Фролов Ю.Г. Курс коллоидной химии. Поверхностные явления и дисперсные системы. Учебник для вузов. – 2-е изд., перераб. и доп. [Текст] / Ю.Г.
Фролов. – М.: Химия, 1988. – 464 с.
93. Черножуков Н.И. Окисляемость минеральных масел [Текст] / Н.И.
Черножуков, С.Э. Крейн. – М.: Гостоптехиздат, 1955. – 372 с.
94. Черножуков Н.И. Химия минеральных масел [Текст] / Н.И. Черножуков, С.Э. Крейн, Б.В. Лосиков. – М.: Гостоптехиздат, 1959. – 415 с.
95. BoHoon Kim, Jiechao C. Jiang, Pranesh B. Aswath. Mechanism of wear at
extreme load and boundary conditions with ashless anti-wear additives: Analysis of
wear surfaces and wear debris. Wear 270 (2011) p.181–194.
96. Glaaeser W. A. Wear debris classification. In: Bhushan B, editor. Modern
tribology handbook, vol. 1. Boca Raton, FL: CRC Press; 2001. p. 301–12.
339
97. Hunt T.M. Handbook of wear debris analysis and particle detection inliquids. Amsterdam: Elsevier; 1993.
98. Iwai Y, Honda T. Diagnosis of rubbing surface failure by wear debris in
lubricating oil. Journal of Japanese Society of Tribologists 2001;46(12): p.942–948.
99. Loutas T.H., Roulias D., Pauly E., Kostopoulos V. The combined use of
vibration, acoustic emission and oil debris on-line monitoring towards a more effective condition monitoring of rotating machinery. Mechanical Systems and Signal
Processing 25 (2011) p.1339–1352.
100. Scherge M., Martin J.M., Pohlmann K. Characterization of wear debris of
systems operated under low wear-rate conditions. Wear 260 (2006) p. 458–461.
101. Защита от коррозии, старения и биоповреждения машин, оборудования и сооружений: Справочник в 2 т. / Под ред. Герасименко А.А. – М.: Машиностроение, 1987. – Т.1. 688 с., Т.2. 784 с.
102. Виноградов П.А. Консервация изделий машиностроения. – Л.: Машиностроение, Ленинградское отделение. 1986. – 270 с.
103. ГОСТ В 18241-85. Масла, смазки, специальные жидкости для военной техники. Ограничительный перечень и порядок назначения. – М.: Издательство стандартов, 1985. – 100 с.
104. Цуркан И.Г., Казаровский С.Н., Колотухин Н.Н. Смазочные и защитные материалы. – М.: Транспорт, 1974. – 152 с.
105. Шехтер Ю.Н., Школьников В.М., Богданов Т.И., Милованов В.Д. Рабоче-косервационные смазочные материалы. – М.: Химия, 1979. – 252 с.
106. Алиева Р.Б., Гаджиева М.А. Защита нефтепродуктов от биоповреждений. Тезисы докл.: Всесоюзная школа-семинар «Биокоррозия, биоповреждения, биообрастание». – Киев: Наукова думка, 1976. – С. 114-115.
107. Гуло Р.А., Гуреев А.А. Сравнительное изучение биостойкости пластических смазок при испытаниях в лабораторных и природных условиях. Тезисы докл.: Всесоюзная школа-семинар «Биокоррозия, биоповреждения, биообрастание». – Киев: Наукова думка, 1976. – С. 120-122.
108. Стариков Н.Е., Арнаутова В.А., Матюша Г.В., Рыжков А.А. Комплексная оценка свойств модифицированных смазочных материалов.// В сб. материалов VIII Всесоюзного семинара «Стандартизация средств и методов защиты изделий и материалов от коррозии, старения и биоповреждений».- М.: Издательство стандартов, 1991. - С.39-42.
109. Стариков Н.Е., Павлов В.М. О воздействии микроорганизмов на изменение эксплуатационно-технических характеристик образцов вооружения.//
В кн.: Проблемы поддержания боеготовности МРК. - Серпухов: СВВКИУ РВ,
1997. – С.194-195.
110. Биоповреждения: Учебное пособие / Под ред. Проф. Ильичева В.Д. –
М.: ВШ, 1987. – 352 с.
111. ГОСТ 9.102-91. Единая система защиты от коррозии и старения.
Воздействие биологических факторов на технические объекты. Термины и
определения. – М.: Издательство стандартов, 1989.
340
112. Анисимов А.А., Смирнов В.Ф. Биоповреждения в промышленности
и защита от них. – Горький: ГГУ, 1980. – 82 с.
113. Герасименко А.А. Защита машин от биоповреждений. – М.: Машиностроение, 1984. – 111 с.
114. Осницкая Л.К.// Микробиология. – 1946, т. 15. – вып. 2. – С. 249-263.
115. Rehm Jurgen / Erdol u Rohll-Erdgal. – Petrochem. – 1991. – V.44. – P.
149.
116. Скрябина Т.Г., Лазарева И.В. Бактериальная зараженность дизельных топлив // Нефтепереработка и нефтехимия (научно-технические достижения и передовой опыт). – 1994. № 6. – С. 14-17.
117. Lesdbetter E.R., Foster J.R.// Arch. Microbiology. 1960. V.35. № 2. P.
104-134.
118. Бирштехер Э. Нефтяная микробиология. Пер. с англ./ Под ред. М.Ф.
Двали и Т.Л. Симаковой. Л.: Гостоптехиздат, 1957. 314 с.
119. Поглазова М.Н., Мацкевич И.Н. Микробиология. 1984, т.53. С. 850858.
120. Foster J.W.// J. Microbiology a. Serol. – 1962. V.28. № 3. – P. 242-287.
121. Палагин В.Н., Калиновский С.А., Герасименко А.А., Полькин В.А.
Защитная способность авиационных масел после эксплуатационной наработки
и хранения // Защита металлов. – 1997. Т. 33. № 6. – С. 662-665.
122. Розанова Е.П., Кузнецов С.И. Микрофлора нефтяных месторождений. М.: Наука, 1974. 198 с.
123. Krynitsky G.A.// Naval Research Rev. – 1964. V.17. № 2. – P. 62-69.
124. Chemistry Week. – 1964. V.9. – P. 71-75.
125. Hill E.C. e. a.// J. Inst. Petrol. – 1967. V.53. – P.280-284.
126. Hitzmann D.O., Linnard R.E.// Confr. Petrol VII. – Mexico, 1967. Simp.
36. P. 33-35.
127. Литвиненко С.Н. Защита нефтепродуктов от действия микроорганизмов. М.: Химия, 1977. 142 с.
128. Новиков И.К., Маковецкий П.С. Антикоррозионные смазочные материалы и их применение. Киев: Урожай, 1980. 128 с.
129. Multiparametric optimization of laser cutting of steel sheets / A. E.
Gvozdev, I.V. Golyshev, I.V. Minayev, A.N. Sergeyev, N.N. Sergeyev, I.V.
Tikhonova, D.M. Khonelidze, A.G. Kolmakov // Inorganikc Materials: Applied Research. 2015/ Vol. 6. No.1.P. 305-310. ISSN 2075-1133.
130. Технология конструкционных материалов / Ф.К. Малыгин, Н.Е. Стариков, А.Е. Гвоздев, В.И. Золотухин, Н.Н. Сергеев // Учебник для вузов. Изд.
2-е испр. и доп. – Тула: Изд-во ТулГУ, 2015. – 243 с. ISBN 978-5-7679-3000-5.
131. Абрамова В.И., Сергеев Н.Н. Современные методы поверхностного
упрочнения: учеб. пособие. Тула: Изд-во Тул. гос. пед. ун-та, 2006. 118 с.
132. Патент № 138734 на полезную модель. Российской федерации,
МПК8 B21J 13/02, В21С 25/02, В82В 3/00. Оснастка для выдавливания цилиндрических изделий из труднодеформируемых металлических, композиционных
или нанокристаллических материалов / А.Е. Гвоздев, Н.Н. Сергеев, Д.А. Прово341
торов, А.Г. Колмаков [и др.]. – Заявитель и патентообладатель Гвоздев А.Е. №
2013140651/02; заявл. 04.09.2013; опубл. 20.03.2014, Бюл. № 8.
133. Свидетельство РФ № 2014620905 о государственной регистрации базы данных «Планы оптимальных исследований металлических систем в сопряженных механических, тепловых и физико-химических полях и средах» / / А.Е.
Гвоздев, Н.Н. Сергеев, Д.А. Провоторов, А.Г. Колмаков [и др.]. Дата государственной регистрации в Роспатенте в реестре баз данных 26.06.2014.
134. Гвоздев A.E. Влияние разнозернистости аустенита на кинетику перлитного превращения в мало- и среднеуглеродистых низколегированных сталях
/ А.Е. Гвоздев, А.Г. Колмаков, Д.А. Провоторов, И.В. Минаев, Н.Н. Сергеев,
И.В. Тихонова-//Материаловедение. 2014. № 7. С. 23-26.
135. Гвоздев А.Е. Особенности протекания процессов разупрочнения при
горячей деформации алюминия, меди и их сплавов / А.Е. Гвоздев, А.Г. Колмаков, Д.А. Провоторов, Д.Н. Боголюбова, Н.Н. Сергеев, И.В. Тихонова. - // Материаловедение. 2014. № 6. С. 48-55.
136. Журавлев Г.М. Пластическая дилатансия и деформационная повреждаемость металлов и сплавов: монография / Г.М. Журавлев, А.Е. Гвоздев // Тула. Изд-во ТулГУ, 2014. 114 с. ISBN 978-5-7679-2805-7.
137. Гвоздев А.Е. Механические свойства конструкционных и инструментальных сталей в состоянии предпревращения при термомеханическом воздействии / А.Е. Гвоздев, А.Г. Колмаков, О.В. Кузовлева, Н.Н. Сергеев, И.В. Тихонова // Деформация и разрушение материалов. – 2013. - № 11. – С. 39-43.
138. Гвоздев А.Е. Условия проявления нестабильности цементита при
термоциклировании углеродистых сталей / А.Е. Гвоздев, А.Г. Колмаков, А.В.
Маляров, Н.Н. Сергеев, И.В. Тихонова, М.Е. Пруцков. - // Материаловедение.
2014. № 10. С. 31-36.
139. Гвоздев А.Е. Комплексный подход к исследованию экстремальных
эффектов в металлических, композиционных и нанокристаллических материалах. / А.Е. Гвоздев, Н.Н. Стариков, А.Н. Сергеев [и др.]: монография. Под ред.
д-ра техн. наук, проф. А.Е. Гвоздев. – Тула: Издательство ТулГу, 2014. – ISBN
978-5-7679-2969-9.
140. A. E. Gvozdev. Features of Softening Processes of Aluminum, Copper,
and Their Alloys under Hot Deformation / A. E. Gvozdev, A. G. Kolmakov, D. A.
Provotorov, D. N. Bogolyubova, N. N. Sergeev, I. V. Tikhonova // Inorganic Materials: Applied Research, 2015, Vol. 6, No. 1, pp. 32–40. – ISSN 2075-1133.
141. Малыгин Ф.К. Материаловедение: учебник для вузов /Ф.К. Малыгин, Н.Е. Стариков, В.М. Павлов, А.Е. Гвоздев, И.В. Тихонова. – Тула: Изд-во
ТулГу, 2014. – 232 с. – ISBN 978-5-7679-2927-6.
142. Сергеев Н.Н. Основы технологической подготовки: учеб. Пособие.
Н.Н.Сергеев, А.Н. Сергеев, А.Е. Гвоздев [и др.]// Тула: Изд-во ТулГу, 2014. –
111 с. – ISBN 978-5-7679-2950-4.
143. Барчуков Д.А. Исследование возможности упрочнения быстрорежущих сталей в результате выполнения высокотемпературного отпуска после
поверхностного пластического деформирования /А.Д. Барчуков, Д.Н. Романен342
ко, А.Е. Гвоздев // Упрочняющие технологии и покрытия, 2014. - № 9(117). – С.
3-8.
144. Шкатов В.В. Влияние режимов плазменной обработки на структурообразование хромовых диффузионных покрытий на стали 60Х2СМФ/ В.В.
Шкатов, Ю.С. Шатов, И.С. Щеренкова, Д.Н. Романенко, А.Е. Гвоздев // Упрочнение технологии и покрытия, 2014. - №8(116). – С. 45-48.
145. Сергеев Н.Н. Влияние параметров лазерной резки на качество поверхности реза стальных листов /Н.Н. Сергеев, И.В. Минаев, И.В. Тихонова,
А.Е. Гвоздев, Д.М. Хонелидзе, И.В. Голышев // Известия Тульского государственного университета. Технические науки, 2014. - № 3. – С. 50-58.
146. Боголюбова Д.Н. Изменение прочности некоторых цветных сплавов
при термомеханическом нагружении // Сборник материалов XI Российской
ежегодной конференции молодых научных сотрудников и аспирантов «Физикохимия и технология неорганических материалов». – М.: ИМЕТ РАН. – 2014. –
619 с. – С. 31-32. – 978-4253-0753-8.
147. Цурин Ю.С. Металлическая гетерофазная система Fe-6W-5Mo-4Cr2V традиционного слиткового передела и ресурс её деформационной способности при внешних тепловых и механических воздействий // Сборник материалов
XI Российской ежегодной конференции молодых научных сотрудников и аспирантов «Физико-химия и технология неорганических материалов». – М.: ИМЕТ
РАН. – 2014. – 619 с. – С. 583-584. – ISBN 978-4253-0753-8.
148. Хонелидзе Д.М. Оптимизация параметров лазерной резки для получения заданных показателей качества реза с помощью компромиссной целевой
функции // Сборник материалов XI Российской ежегодной конференции молодых научных сотрудников и аспирантов «Физико-химия и технология неорганических материалов». – М.: ИМЕТ РАН. – 2014. – 619 с. – С. 178-179. – ISBN
978-4253-0753-8.
149. Кутепов С.Н. Развитие пластичности порошкового металлического
сплава системы железо-вольфрам-молибден-хром-ванадий при термомеханическом растяжении // Сборник материалов XI Российской ежегодной конференции молодых научных сотрудников и аспирантов «Физико-химия и технология
неорганических материалов». – М.: ИМЕТ РАН. – 2014. – 619 с. – С. 577-578. –
ISBN 978-4253-0753-8.
150. Grain size effect of austenite on the kinetics of pearlite transformation in
low and medium carbon low alloy steels/ A.E. Gvozdev, A.G. Kolmakov, D.A.
Provotorov, I.V. Minaev, N.N. Sergttv, I.V. Tikhonova //Inorganic Materials: Applied Research. 2015. Vol.6.No1. P.41-44. ISSN 2075-1133.
151. Патент на изобретение 2014137211/02 (2563609) Российская Федерация /Способ получения заготовок из порошковой быстрорежущей стали/ Е.В.
Агеев, В.Ю. Карпенко, А.Е. Гвоздев, Е.В. Агеева. Заявитель и патентообладатель: Юго-Западный государственный университет. № 2014137211/02; опубл.
20.09.2015. С. ил.
343
152. Макаров Э.С., Гвоздев А.Е., Журавлев Г.М. Теория пластичности
дилатирующих сред: монография //под ред. проф. А.Е. Гвоздева, 2-е изд., перераб. и доп. Тула: Изд-во ТулГу, 2015. 337 с. ISBN 978-5-7679-3159-0.
153. Формирование механических свойств углеродистых сталей в процессах вытяжки с утонением/ А.Е. Гвоздев, Г.М. Журавлев, А.Г. Колмаков// Технология металлов. 2015. №11. С. 17-31. ISSN 1684-2499/
154. Постановка задачи расчета деформационной повреждаемости металлов и сплавов/А.Е. Гвоздев, Г.М. Журавлев, Н.Н. Сергеев, В.И. Золотухин, Д.А.
Провоторов// Производство проката. 2015. №10. С. 18-26. ISSN 1684-257X.
155. Влияние деформационной повреждаемости на формирование механических свойств малоуглеродистых сталей/ Г.М. Журавлев, А.Е. Гвоздев, Н.Н.
Сергеев, Д.А. Провоторов// Производство проката. 2015. №12. С. 3-14.
156. Деформационная поврежденность сталей и её применение в расчетах
холодного пластического формообразования/ Г.М. Журавлёв, В.И. Золотухин,
Д.А. Провоторов, А.Е. Гвоздев// VI Международная конференция «Деформация
и разрушение материалов и наноматериалов»: сборник материалов. 10-13
ноября 2015 г. Москва. М.: ИМЕТ РАН, 2015. С. 231-232.
157. Влияние деформационной повреждаемости на формирование механических свойств межуглеродистых сталей/ Г.М. Журавлев, В.И. Золотухин,
Д.А. Провоторов, А.Е. Гвоздев// VI Международная конференция «Деформация
и разрушение материалов и наноматериалов»: сборник материалов. 10-13
ноября 2015 г. Москва. М.: ИМЕТ РАН, 2015. С. 232-235.
158. Роль процесса зародышеобразования в развитии некоторых фазовых
переходов первого рода/А.Е. Гвоздев, Н.Н. Сергеев, И.В. Минаев, И.В. Тихонова, А.Г. Колмаков// Материаловедение.2015. №1. С. 15-21.
159. Многопараметрическая оптимизация параметров лазерной резки
стальных листов/ А.Е. Гвоздев, И.В. Голышев, И.В. Минаев, А.Н. Сергеев, Н.Н.
Сергеев, И.В. Тихонов, Д.М. Хонелидзе, А.Г. Колмаков/ Материаловедение.
2015. 32. С. 31-36.
160. Характеристики поверхности и структуры зоны термического влияния листа стали марки 20 после лазерной резки/ И.В. Тихонова, Н.Н. Сергеев,
И.В. Минаев, Е.С. Алявдина, А.Е. Гвоздев, А.А. Калинин// VI Международная
конференция «Деформация и разрушение материалов и наноматериалов»:
сборник материалов. 10-13 ноября 2015 г. Москва. М.: ИМЕТ РАН, 2015. С.
240-241.
161. Характеристики поверхности и структуры зоны термического влияния листов стали марки 65Г после лазерной резки/ Н.Н. Сергеев, И.В. Тихонова, И.В. Минаев, М.Ю. Комарова, А.Е. Гвоздев, А.А. Калинин, А.А. Авдонин,
В.В. Новикова// VI Международная конференция «Деформация и разрушение
материалов и наноматериалов»: сборник материалов. 10-13 ноября 2015 г.
Москва. М.: ИМЕТ РАН, 2015. С. 241-242.
162. Патент №151792 на полезную модель, Российская Федерация,
МПК8В23К 26/38 (2014.01), В23К 26/046 (2014.01). Оптическая головка для лазерной резки листового металла толщиной 12 мм и выше непрерывным воло344
конным лазером мощностью до 4 КВТ/ И.В. Минаев, И.В. Голышев, Н.Н. Сергеев, А.Е. Гвоздев. – Заявитель и патентообладатель: общество с ограниченной
ответственностью научно-производственное предприятие «ТЕЛАР». №
2014140571/02; заявл. 08.2014; опубл. 20.04.2015, Бюл. №11.
163. Поведение химического соединения Fe3C в углеродистых сталях
при термоциклических воздействиях/ А.е. Гвоздев, А.В. Маляров, И.в. Тихонова, Н.Н. Сергеев, А.А. Калинин, К.Н. Старикова// VI Международная конференция «Деформация и разрушение материалов и наноматериалов»: сборник
материалов. 10-13 ноября 2015 г. Москва. – М.: ИМЕТ РАН, 2015. – С. 23-24.
164. Зарождение и рост графитных включений при эксплуатации паропроводов из стали марки 20/ А.Е. Гвоздев, А.В. Маляров, И.В. Тихонова, Н.Н.
Сергеев, А.А. Калинин// VI Международная конференция «Деформация и разрушение материалов и наноматериалов»: сборник материалов. 10-13 ноября
2015 г. Москва. М.: ИМЕТ РАН, 2015. С. 238-239.
165. Патент №156795 на полезную модель, Российская Федерация,
МПК8 С21D. Термомагнитная установка/ А.В. Маляров, А.Е. Гвоздев, И.В. Тихонова. – Заявитель и патентообладатель Маляров А.В. №2015125322/02; заявл.
26.06.2015; опубл. 20.11.2015, Бюл. №32.
166. Комплексные задачи теории пластичности: монография / Н.Д.
Тутышкин, А.Е. Гвоздев, В.И. Трегубов, Ю.В. Полтавец, Е.М. Селёдкин, А.С.
Пустовгар, В.И. Золотухин, Г.М. Журавлёв // под. ред. Н.Д. Тутышкина, А.Е.
Гвоздева. 2-е изд. перераб. и доп. – Тула: Изд-во ТулГУ, 2015 – 408 с. ISBN
978-5-7679-3163-7.
167. Зависимость показателей сверхпластичности труднодеформируемых
сталей Р6М5 и 10Р6М5-МП от схемы напряженного состояния / А.Е. Гвоздев,
А.Г. Колмаков, Д.А. Провоторов, Н.Н. Сергеев, Д.Н. Боголюбова // Деформация
и разрушение материалов. 2015. №11. С 42-47. ISSN 1814-4632.
168. Кутепов С.Н. Изменение прочности порошковой металлической системы железо-углерод-вольфрам-молибден-хром-ванадий при термомеханическом растяжении // VI Международная конференция «Деформация и разрушение материалов и наноматериалов»: сборник материалов. 10-13 ноября 2015 г.
Москва. М.: ИМЕТ РАН, 2015. С. 66-67.
169. Хонелидзе Д.М. Математическая гетерофазная система железовольфрам-молибден-хром-ванадий традиционного металлургического передела
и ее прочность при внешних термомеханических воздействиях // VI Международная конференция «Деформация и разрушение материалов и наноматериалов»: сборник материалов. 10-13 ноября 2015 г. Москва. М.: ИМЕТ РАН, 2015.
С. 118-120.
170. Развитие экстремальных эффектов изменения прочности и пластичности в металлической высоколегированной системе Fe-C-W-Mo-Cr-V при различных термомеханических воздействиях и состояниях / А.Е. Гвоздев, А.А. Калинин, Н.Н. Сергеев, Д.М. Хонелидзе // VI Международная конференция «Деформация и разрушение материалов и наноматериалов»: сборник материалов.
10-13 ноября 2015 г. Москва. М.: ИМЕТ РАН, 2015. С. 563-564.
345
171. Математическое моделирование механических свойств алюминиевых деформируемых сплавов при внешних термомеханических воздействиях /
А.Е. Гвоздев, Д.Н. Боголюбова, Н.Н. Сергеев, А.А. Калинин, А.В. Авдонин,
Д.М. Хонелидзе, Д.А. Юрченко, А.С. Пустовгар // VI Международная конференция «Деформация и разрушение материалов и наноматериалов»: сборник
материалов. 10-13 ноября 2015 г. Москва. М.: ИМЕТ РАН, 2015. С. 340-341.
172. Боголюбова Д.Н. Математическое моделирование характеристик
механических свойств алюминиевых сплавов при внешних термомеханических
воздействиях // XII Всероссийская конференция «Физико-химия и технология
неорганических материалов»: сборник материалов. 13-16 октября 2015 г.
Москва. М.: ИМЕТ РАН, 2015. С. 478-479.
173. Закономерности изменения прочности порошковой быстрорежущей
стали М6Ф2 при тепловых и механических воздействиях / А.Е. Гвоздев, Н.Н.
Сергеев, А.А. Калинин, Д.М. Хонелидзе, Д.Н. Романенко, Г.Д. Юрченко, В.В.
Новикова // VI Международная конференция «Деформация и разрушение материалов и наноматериалов»: сборник материалов. 10-13 ноября 2015 г. Москва.
М.: ИМЕТ РАН, 2015. С. 242-244.
174. Изменение характеристик структуры и свойств никеля после термоциклических воздействий / А.Е. Гвоздев, О.В. Кузовлева, А.А. Калинин, И.В.
Тихонова, Н.Н. Сергеев // VI Международная конференция «Деформация и разрушение материалов и наноматериалов»: сборник материалов. 10-13 ноября
2015 г. Москва. М.: ИМЕТ РАН, 2015. С. 244-246.
175. Новикова В.В. Высокотемпературные испытания образцов из металлических сплавов на растяжение // XII Всероссийская конференция «Физикохимия и технология неорганических материалов»: сборник материалов. 13-16
октября 2015 г. Москва. М.: ИМЕТ РАН, 2015. С. 85-87.
176. Материаловедение / Ф.К. Малыгин, Н.Е. Стариков, А.Е. Гвоздев,
В.И. Золотухин, Н.Н. Сергеев, А.Д. Бреки // Учебник для вузов; Тула: Изд-во
ТулГУ, 2015. 268 с. ISBN 978-5-7679-3160-6.
177. Основы технологической подготовки / Н.Н. Сергеев, А.Н. Сергеев,
А.Е. Гвоздев, А.Г. Колмаков, А.Д. Бреки, Д.А. Провоторов, В.И. Золотухин,
Н.Е. Стариков, П.Н. Медведев, Д.В. Малий, Ю.С. Дорохин, Д.Н. Боголюбова,
А.А. Калинин, О.В. Кузовлева, К.Н. Старикова, С.Н. Кутепов, Д.М. Хонелидзе,
В.В. Новикова // Учеб. пособие: под ред. проф. А.Е. Гвоздева. Изд. 2-е испр. и
доп. Тула: Изд-во ТулГУ, 2015. 187 с. ISBN 978-5-7679-3149-1.
178. Кутепов С.Н. Профессиональное образование и подготовка рабочих
кадров в Европе (на примере Франции): автореф. дис. … канд. пед. наук. Тула,
ТГПУ им. Л.Н. Толстого, 2015. 26 с.
179. Role of nucleation in the development of first-order phase transformations. / A. E. Gvozdev, N. N. Sergeyev, I. V. Minayev, A. G. Kolmakov, I.V.
Tikhonova // Inorganic Materials: Applied Research, 2015, Vol. 6, No. 4, pp. 283–
288. – ISSN 2075-1133.
346
ПРИЛОЖЕНИЯ
347
348
349
Награды конкурентоспособных разработок
350
Учебное издание
Гвоздев Александр Евгеньевич
Стариков Николай Евгеньевич
Золотухин Владимир Иванович
Сергеев Николай Николаевич
Сергеев Александр Николаевич
Бреки Александр Джалюльевич
Технология конструкционных
и эксплуатационных
материалов
Учебник
Авторское редактирование
Изготовление оригинал-макета 23.03.16
Изд. лиц. ЛР № 020300 от 12.02.97. Подписано в печать 23.03.16
Формат бумаги 60x84 1/16. Бумага офсетная.
Усл. печ. л. 18,7. Уч.-изд. л. 16,1.
Тираж 500 экз. Заказ 056
Отпечатано в Издательстве ТулГУ
300012, г. Тула, просп. Ленина, 95